近年来出现了大量可穿戴电子产品，这些产品面临的共同问题之一是电池寿命。
许多智能手表必须每天充电，而更专业的健身设备需要长时间工作，但功能和连接性较差。
由于物联网中连接互联网和其他设备的要求不断增加，设计中的无线和计算组件对功耗的要求也越来越高。
同样，节能显示技术正在不断进步，对更丰富的用户界面的持续需求正在推高此类设备的功耗要求。
解决这一困境的一个解决方案是增加使用从环境中收集能量的能量收集技术。
这种方法可用于向电池提供稳定的水滴，延长可穿戴设备充电之间的时间，从而使最终设计更具吸引力。
然而，这些技术的使用面临四个工程挑战：电能的产生、电能的管理和存储、收集元件的大小和成本。
多年来，人们对新能源收集进行了大量研究，但其中大部分尚未产生商用设备。
可穿戴设备本质上需要接近人体，这可以提供多种电能来源，从而提供一些关键优势。
发电 从环境中为可穿戴设备发电的方法有很多种，但每种方法在工程方面都有自己的优点和缺点。
最成熟的技术之一是太阳能技术，多年来一直为传统手表提供动力。
太阳能电池，例如松下 BSG 的 Amorton 和 IXYS 设备，可以直接由阳光供电，现在用于为室内照明供电。
正如 Silicon Labs 的开发套件所展示的那样，使用较小的占空比，这些设备可以产生足够的电力来驱动无线链路长达十五年。
图 1：Silicon Labs 采用太阳能的能量收集评估板 此外，该评估板外形小巧，电池高度仅为 0.17 毫米，这是设计可穿戴设备时的另一个关键考虑因素。
这里的低功耗控制器 Si 无线 MCU 是关键器件，可以维持低功耗状态，功耗仅为 50 nA。
能量收集电源在启用时的漏电流约为 3 μA，并且可以通过照射到太阳能电池的低至 50 勒克斯的光来抵消。
这使得能量收集电源能够在黑暗期间为系统供电长达 7 天，如果有周期性光源可以补充损失的能量，则可以无限期地为系统供电。
该系统可在室内 lx 和室外 10, lx 光源下工作。
然而，这里的重点只是无线连接，而不是总系统功耗要求。
对于健身设备来说，这是一种理想的长寿命方法，可以定期测量并将测量结果反馈到集线器。
智能交换机等中央集线器需要更高的电流，并且正在评估其他技术。
其中一项技术是从人体热量中获取热能。
当手表紧贴皮肤时，它可以利用体温的差异，通过珀耳帖效应和塞贝克效应来发电。
现在已经有商业化的热电装置，在5度的温差下与人体皮肤接触可以产生10至20μW/cm2的功率。
两到三个这样的设备就可以满足健康监测系统的功率要求。
韩国 KAIST 研究所的一个研究团队开发了一种热电发电机，该发电机在有机基板上结合了无机材料，重量极轻且高度灵活。
基于织物的基材非常柔韧，弯曲半径高达 20 毫米，使其可用于紧密贴合人体皮肤的可穿戴设计，而在基材弯曲时不会改变性能。
图 2：韩国 KAIST 开发的柔性热电发电机。
该发电机使用可印刷到织物上的 n 型 (Bi2Te3) 和 p 型 (Sb2Te3) 热电材料的特殊浆料。
这种糊状材料覆盖在织物的纤维上，形成数百微米厚的 TE 材料薄膜。
这创造了数百个能够发电的热电点，并使研究人员能够将发电机的重量显着减轻至 0.13 g/cm2 左右。
在腕带中，面积为 10 cm x 10 cm 的原型发生器可产生大约 40 mW 的功率。
可穿戴设备通常也是移动的，可以根据不同的电池充电方法提供新的发电方式。
使用 MSP 压电振动传感器（例如由Measurement Specialties 提供的传感器），设备本身的运动可用于提供电力。
当传感器调谐到用户运动的共振频率（通常在 Hz 左右）时，它可以用来提供电力。
这个想法虽然并不新鲜——它已经在自动上链手表中使用了几十年——利用压电晶体的弯曲作用来发电。
正在研究利用运动来收集能量的新方法，包括捕获材料中纤维运动产生的电荷。
图 3：Measurement Specialties 的 MSP 压电晶体。
无线电发射产生的电场是否可以用来收集电能仍处于实验室研究阶段。
无线网络的普及为便携式和可穿戴设备提供了获取这种能量的机会。
虽然这项技术仍处于早期阶段，但无线充电有可能消除对充电线的需求，并且只需将可穿戴设备放在充电板上即可充电。
管理和存储即使在通过太阳能或振动传感器发电后，仍然需要克服一些挑战。
产生的电流可能非常小并且本质上是间歇性的，并且必须在使用前收集。
同样，在将电池电流提供给可穿戴设计中的硅芯片之前，必须对其进行管理。
这需要将超级电容器到电池等存储元件与新一代电源管理芯片相结合，这些芯片针对能量收集应用进行了优化，并且可以在如此低的电流下运行。
用于可穿戴系统的新型更高密度电池技术已经在开发中，这些技术可以利用能量收集源的涓流充电功能，而不会耗尽电池的化学成分，并且设备尺寸非常小。
凌力尔特公司开发了一款多功能能量收集演示板。
使用此演示板，可穿戴系统设计人员可以评估所有不同的能量收集源，并评估每种能量收集源的电源管理有何不同。
DCA 可以在设计早期利用压电、太阳能、热电能源或任何其他高阻抗交流或直流电源。
该评估板包含四个独立芯片，可处理不同的能源和管理。
LTC1 压电能量收集电源集成了低损耗全波桥式整流器和高效降压转换器，以适应压电或太阳能等高输出阻抗能源。
该器件具有超低静态电流欠压锁定 (UVLO) 模式和宽迟滞窗口，允许电荷在输入电容器上累积，直到降压转换器可以有效地将部分存储的电荷传输到电源管理器。
该器件的四种输出电压（1.8V、2.5V、3.3V 和 3.6V）可通过引脚选择，并提供高达 mA 的连续电流，但也可以选择输出电容器来匹配更高的输出电流脉冲。
适应智能手表等更高性能的设计。
对于给定的输入电容，设置为 20 V 的输入保护分流器可以存储更多能量。
另一方面，LTC 是一种超低压 DC/DC 升压转换器，可用于热电发电机。
该升压拓扑可在低至 20mA 的输入电压下运行，并使用 2.2 V LDO 为外部处理器供电，而主输出被编程为用作为无线链路供电的四个固定电压之一。
当没有输入电压源时，储能电容器提供电力。
这样的设计保证了输出存储电容快速充电，使供电平稳。
图 4：LTC 电源芯片针对从热电设备收集能量进行了优化。
该评估板还包括具有功率点控制和 LDO 稳压器的 LTC 升压 DC/DC 转换器、LTC 10 V 微功耗同步升压转换器和 LTC2/LTC4 超低功耗监视器，其中还包括电源故障输出的可选阈值，以确保允许开发人员密切监控电源。
有了所有这些设备，就可以使用不同的能量收集源来评估各种电源管理选项。
该评估板还提供多个接口和发送器接头，从而简化了接头与开发板的连接。
还提供跳线以不同方式配置电路板。
该板标配 3 个跳线，最多可安装 10 个。
尺寸和成本虽然这些技术相当完整，但可穿戴设计始终面临着挑战——如何在不增加成本的情况下减小尺寸并提高性能。
使用新的电池化学物质，电池现在可以做得更薄并具有更高的容量，这有助于延长尺寸和重量受到严格限制的可穿戴设计中的电池寿命。
作为已经投入使用的新材料和制造技术，珀耳帖效应和塞贝克效应热电发生器变得越来越小。
与此同时，太阳能电池技术也在提高效率和减轻重量，以便能够用于设计中。
更多地使用太阳能电池来提供更多的电力。
作为设计核心的硅器件也在减小尺寸和功耗。
随着功耗和电压的降低，微处理器、无线节点和电源管理芯片的裸片面积不断减小，使设计人员能够满足更多的可穿戴设计要求。
总结 现在可穿戴设备开发人员可以使用多种能源从环境中获取能量，对电池寿命和高性能的需求正在推动研究人员探索新方法。
从简单的健身传感器，到充当许多其他设备集线器的全功能智能手表，人们已经找到了利用太阳能、热能或振动能来延长这些可穿戴设计的电池寿命的新方法。
然而，这只是故事的一章。
电池技术和电源管理的发展与这些能源保持同步，提供的电源完全符合总体设计要求。
无论电池充电间隔是几天、几周还是几个月，都不会影响可穿戴技术的功能。