スマート ウェアラブル デバイスの市場は近年爆発的な成長を遂げており、ヘルスケアやフィットネス、医療、エンターテイメント、軍事、産業の各分野でのアプリケーション向けにさまざまな製品が登場しています。これには、センサーを使用するヘルスケア ウェアラブル デバイスなどの新しい波の製品が含まれており、よりアクティブで健康的なライフスタイルを採用する機会が生まれます。この記事では、スマート ウェアラブル デバイスの設計要件と、低電力ワイヤレス デバイスに適用できるADIが提供する電力変換ソリューションについて紹介します。
ウェアラブルデバイスはバッテリー寿命を延ばすために超低消費電力が求められる
モノのインターネット (IoT) をサポートするワイヤレス センサーの数と種類は急速に増加しています。この傾向により、低電力ワイヤレス デバイス向けにカスタマイズされた、小型でコンパクト、かつ高効率な電力コンバータの需要が生まれました。IoT業界で台頭しているサブマーケットの1つが、ウェアラブル電子製品市場です。この市場における顕著かつ明白なアプリケーションは、健康モニタリングです。病院の患者や健康に高い意識を持つ個人を対象に、医療用ウェアラブルデバイスが生体認証データの記録に使用されています。このデータには、体温、脈拍数/心拍数、呼吸数、血圧などの重要な生理学的指標が含まれます。これらの生体測定は、人体の基本的な機能を評価し、健康状態を監視するために使用されます。
これらのバイタルサインは非常に重要です。なぜなら、このデータに何らかの悪影響があれば、健康状態の低下を示す可能性があり、その逆も同様だからです。従来、これらの生体認証データを測定するには、病院や診療所にあるさまざまな機器が必要でした。しかし、このような生体認証データを便利に、リアルタイムで、効率的に測定する能力があれば、個人はリアルタイムのバイタルサインデータに基づいてライフスタイルや行動を調整できるようになります。これにより、健康状態が改善され、寿命が延びたり、命が救われる可能性もあります。
スマート ウェアラブル デバイスのコア アーキテクチャは製品の種類によって異なり、具体的なコンポーネントはデバイスによって異なります。ただし、一般的に、スマート ウェアラブル デバイスのコア アーキテクチャには、マイクロプロセッサやマイクロコントローラ、または同様のICが含まれます。また、マイクロエレクトロメカニカルシステム (MEMS) センサー、小型機械アクチュエーター、全地球測位システム (GPS) IC、データの収集/処理および同期のためのBluetooth/セルラー/Wi-Fi接続、イメージング電子部品、LED、計算リソース、充電式または一次 (充電不可) バッテリーまたはバッテリーパック、およびサポート電子部品も含まれる場合があります。したがって、ウェアラブル デバイスの主な設計目標は、コンパクトなフォーム ファクター、着用性と快適性のための軽量化、およびバッテリーの稼働時間/寿命を延ばすための超低消費電力です。
エネルギーハーベスティングシステムによりウェアラブルデバイスの使用時間が延長
ウェアラブルデバイスの使用時間を延ばすには、メインバッテリーを電源として使用するだけでなく、エネルギーハーベスティングシステムを組み込むことで、デバイスの使用時間を大幅に延ばすことができます。市場には、振動エネルギー収集製品や、一般的な動作条件下でmW範囲の電力を生成できる屋内またはウェアラブル太陽電池など、さまざまな既製のエネルギー収集技術があります。この電力レベルは限られているように思えるかもしれませんが、供給されるエネルギー単位あたりのコストを考慮すると、エネルギー収集製品は長寿命の一次電池とほぼ同等です。
一部の一次電池は最大10年の寿命を誇ると主張していますが、これは電池から取り出される電力のレベルと電力抽出の頻度に大きく依存します。エネルギー収集機能を備えたシステムは、電力が枯渇しても再充電できますが、一次電池のみで駆動するシステムではこれは不可能です。ただし、ほとんどの実装スキームでは、環境エネルギー源を主電源として使用し、一次電池を環境エネルギー源のバックアップとして使用します。これは「バッテリー寿命延長」機能とみなすことができ、システムの動作寿命を延長し、リチウムチオニルクロリド化学組成の場合、通常約12年であるバッテリーの寿命に近づきます。
もちろん、エネルギー収集電源によって供給されるエネルギーは、その電源がどれだけ長く動作できるかによって異なります。したがって、エネルギー収集電源の主な比較指標は、エネルギー密度ではなく電力密度です。エネルギー収集電源は、通常、利用可能な電力が低く、変動しやすく、予測できないため、収集装置を補助電源に接続するハイブリッド構造がよく使用されます。補助電源は、充電式バッテリーまたは蓄電コンデンサーです。コレクターは無限のエネルギー供給によりシステムのエネルギー源になります。補助電力貯蔵リポジトリ (バッテリーまたはコンデンサ) は、より高い出力電力を生成しますが、貯蔵されるエネルギーは少なくなります。必要に応じて電力を供給し、それ以外の場合には、エネルギーコレクターから定期的に充電を受け取ります。
これらの一般的なウェアラブル デバイスでは、エネルギー ハーベスティング システムで、数十マイクロワットから数十ナノアンペアの範囲の非常に低い電力と非常に小さな電流を処理できる電力変換ICを使用する必要があります。ADIは、ウェアラブル デバイスに一般的に見られる低い収集電力を管理するために必要な機能と性能を備えて設計された、さまざまな電力変換ICを提供しています。
高度に統合されたDC/DCコンバーターによりバッテリー寿命が延長
LTC3107は、熱電発電機 (TEG) やサーモパイルなどの非常に低い入力電圧源から余剰エネルギーを収集して管理することで、低電力ワイヤレス システムの一次電池の寿命を延ばすように設計された、高度に統合されたDC/DCコンバータです。これはステップアップトポロジで動作し、20mVという低い入力電圧でも動作できます。
LTC3107は小型の昇圧トランスを使用して、一次電池に依存する一般的なワイヤレス センサー アプリケーションに適した完全な電源管理ソリューションを提供します。2.2V LDOは外部マイクロコントローラに電力を供給するために使用でき、メイン出力電圧はプライマリバッテリ電圧に合わせて自動的に調整できます。収集エネルギーが利用可能な場合、LTC3107はバッテリー電源から収集電力にシームレスに移行できるため、バッテリー寿命が延長されます。BAT_OFFインジケータを使用して、バッテリーの使用状況を追跡できます。オプションの蓄電コンデンサは余剰の収集エネルギーを蓄積し、バッテリー寿命をさらに延ばします。
LTC3107を使用する場合、エネルギー ハーベスティング モジュールに必要なスペースは最小限で、LTC3107の3mm x 3mm DFNパッケージといくつかの外部コンポーネントを収容できるだけです。LTC3107は、既存の一次電池電圧を追跡する出力電圧を生成することにより、新規および既存の電池駆動設計に、無料の熱エネルギーを収集することによるコスト削減をシームレスにもたらします。さらに、LTC3107は、小さな熱エネルギー源とともにバッテリー寿命を延ばすことができ、場合によってはバッテリーの保管寿命を超えて、バッテリー交換に関連する定期的なメンテナンス コストを削減します。LTC3107は、負荷と利用可能な収集エネルギーに応じて、バッテリーから負荷を補充したり、完全に電力を供給したりするように設計されています。
高電圧エネルギーハーベスティング電源用DC/DCコンバータ
ADIのもう1つの製品例として、高電圧エネルギー ハーベスティング電源と充電式バッテリ駆動の昇降圧DC/DCコンバータを統合し、代替エネルギー アプリケーション用の単一出力電源を作成するLTC3331があります。10mAシャントにより、収集したエネルギーを使用して簡単にバッテリーを充電できます。また、バッテリーの過放電を防ぐための低バッテリー切断機能も搭載されています。
LTC3331は、圧電源、太陽光、または磁気源からエネルギーを収集するための統合型全波ブリッジ整流器と高電圧昇降圧DC/DCコンバータで構成されています。どちらのDC/DCコンバータも単一の出力に電力を供給できます。降圧コンバータは収集されたエネルギーが利用可能なときに動作し、バッテリーから引き出される静電流を200nAまで低減し、バッテリー寿命を延ばします。収集されたエネルギーが利用できない場合、昇降圧コンバータはVOUT にのみ電力を供給します。
LTC3331は、収集したエネルギーが利用可能な場合に最大50mAの連続出力電流を供給してバッテリ寿命を延ばすことができる完全なエネルギー収集調整ソリューションを提供します。収集したエネルギーが安定した電源を提供している場合、バッテリーが負荷に電力電流を供給する必要はなく、無負荷状態でバッテリーから電力を供給されている場合、動作電流はわずか950nAしか消費しません。
LTC3331は、充電式一次電池で駆動する同期昇降圧DC/DCコンバータと高電圧エネルギー ハーベスティング電源を統合し、ワイヤレス センサー ノード、IoTデバイス、ウェアラブル デバイスなどのエネルギー ハーベスティング アプリケーションに中断のない出力を提供します。
さらに、このデバイスには出力ストレージを強化するためのスーパーキャパシタ バランサーが含まれています。入力および出力電圧と電流の設定ポイントは、ピンストラップされたロジック入力を介して設定できます。LTC3331は、5mm x 5mm QFN-32パッケージで提供されます。
高効率、低静止電流の昇降圧DC/DCコンバータ
さらに、ADIは、高効率、低静止電流 (680nA) のマイクロパワー降圧昇圧DC/DCコンバーターLTC3335を発表しました。長寿命のバッテリー駆動アプリケーションで累積バッテリー放電を監視できる高精度クーロン カウンターを内蔵しており、ワイヤレス センサー ネットワークや一般的なエネルギー ハーベスティング アプリケーションに適しています。昇降圧回路は、最低1.8Vの入力電圧で動作し、最大50mAの出力電流とともに、8つのピン選択可能な出力電圧を提供します。
LTC3335に内蔵されたクーロン カウンターは、長寿命のバッテリ駆動アプリケーションにおける累積バッテリ放電を監視します。このカウンターは、I2Cインターフェイスを介してアクセス可能な内部レジスタに累積されたバッテリー放電を保存します。LTC3335にはプログラム可能な放電アラームしきい値が含まれており、しきい値に達するとIRQピンで割り込みが発生します。
さまざまなタイプとサイズのバッテリーに対応するため、LTC3335ではピーク入力電流を5mA ～ 250mAの範囲で選択できます。フルスケールのクーロン カウンターは、32,768:1のプログラム可能な範囲を提供します。LTC3335は、3mm x 4mm QFN-20パッケージで提供されます。
結論
ほとんどのスマート ウェアラブル デバイスはバッテリー駆動で、可能な限り長いバッテリー寿命と耐用年数を目指しています。エネルギーハーベスティング技術と組み合わせることで、ウェアラブルデバイスの動作時間を大幅に延長できます。したがって、低電力変換ソリューションはウェアラブルデバイスにとって重要な推進力となるでしょう。しかし、低電流のウェアラブルデバイスに電力を供給するのは非常に困難な場合があります。ADIは、低電力レベルで高いパフォーマンスを実現できるさまざまな主要製品を提供しており、ウェアラブル デバイスの開発に最適です。