您可能已經(jīng)設(shè)計(jì)了您的光學(xué)傳感可穿戴設(shè)備以適應(yīng)不同的用例。很有可能，您已經(jīng)在設(shè)計(jì)中內(nèi)置了一種方法來(lái)調(diào)整電流，因?yàn)樵O(shè)備在不同條件下執(zhí)行連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而確保設(shè)備在每個(gè)給定時(shí)間點(diǎn)將電流消耗降至最低。但是你真的把功耗降到最低了嗎？如果您有辦法同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓電平會(huì)怎樣？您還能節(jié)省多少電量？

為了說(shuō)明額外節(jié)能的潛力，讓我們比較幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子。為了強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，我將使用一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)。您的設(shè)備可能會(huì)復(fù)雜得多，但原理應(yīng)該相同。所有光學(xué)傳感系統(tǒng)都設(shè)計(jì)為在更具挑戰(zhàn)性、更不利的測(cè)量條件下運(yùn)行——例如，有人在陰陽(yáng)混合的小徑上奔跑和流汗。在這些困難條件下，嘗試測(cè)量心率等參數(shù)的光學(xué)傳感器算法需要將 LED 電流調(diào)至最高額定值，以獲得更好的信噪比 （SNR），從而獲得更準(zhǔn)確的連續(xù)閱讀。通常，光學(xué)傳感電路由一個(gè) LED 與由電壓 V 驅(qū)動(dòng)的光學(xué)模擬前端 （AFE） 串聯(lián)組成。發(fā)光二極管。讓我們考慮一個(gè)基于綠色 LED 的系統(tǒng)，其中為 LED 和 AFE 鏈供電的 V LED固定為 5V。在最高額定電流 （100mA） 下，假設(shè) LED 上的正向壓降為 4V，而光學(xué) AFE 上的壓降為 1V。

V LED = 5V

VF = 4V ，100mA

V DRV = 1V

現(xiàn)在，讓我們考慮一下當(dāng)測(cè)量條件變得有利時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生什么，例如當(dāng)同一個(gè)人在辦公室內(nèi)的辦公桌前工作甚至睡覺(jué)時(shí)。在有利的條件下，該算法將大大降低光學(xué)傳感器電流。在較低的電流（例如 5mA）下，LED 上的正向電壓降將下降到 3V，從而在光學(xué) AFE 上留下 2V。

V LED = 5V

V F = 3V，5mA

V DRV = 2V

但是，在較低的電流下，該 AFE 上正確運(yùn)行所需的電壓（其順從電壓）下降。但是，由于 V LED上的固定 5V ，V DRV實(shí)際上比在不利條件下時(shí)更高。例如，如果 AFE 的順從電壓為 V DRV_COM = 0.16V，我們可以看到 AFE 兩端的電壓超出了 1.84V。這實(shí)際上意味著系統(tǒng)消耗的功率比實(shí)際需要的多 1.84V x 5mA。

事實(shí)上，任何使用固定 V LED架構(gòu)且需要針對(duì)不利條件進(jìn)行擴(kuò)展的系統(tǒng)最終都會(huì)在有利條件下消耗過(guò)多功率。但是，如果 V LED由具有動(dòng)態(tài)電壓縮放 （DVS） 的調(diào)節(jié)器設(shè)置，該調(diào)節(jié)器可以根據(jù)當(dāng)前設(shè)置上下調(diào)節(jié)，則可以最大限度地降低功耗。實(shí)際上，系統(tǒng)可以調(diào)整 V LED以通過(guò)一些適當(dāng)?shù)脑Ａ縼?lái)最小化每個(gè)電流設(shè)置的以下表達(dá)式。

V LED – （V F + V DRV_COM ）

即使使用簡(jiǎn)單的查找表方法，將電壓設(shè)置為適合特定電流范圍也可能會(huì)顯著節(jié)省電能，從而延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命。

延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備的電池壽命

那么使用 DVS 可以節(jié)省多少電量呢？考慮到大多數(shù)可穿戴設(shè)備用戶只會(huì)在 24 小時(shí)測(cè)量周期的一小部分中處于不利的測(cè)量條件下，這應(yīng)該很重要。當(dāng)然，考慮到不同的血液灌注水平、皮膚類型和用例，具體多少會(huì)因用戶而異。

作為一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明，讓我們考慮一個(gè)典型的場(chǎng)景：

LED 脈沖電流 = 38.9mA

100sps 時(shí)的脈沖占空比為 117μs，即 1.17%

降壓-升壓效率 = 95%

現(xiàn)在，讓我們假設(shè)這些參數(shù)適用于 24 小時(shí)周期中的 4 小時(shí)。如果我們能夠在 1V 時(shí)實(shí)現(xiàn) DVS 節(jié)省，我們可以計(jì)算電池節(jié)省如下：

1V x 38.9mA x 1.17% x 95% x 4 小時(shí) = 每 24 小時(shí)每天 1.73mWHr

對(duì)于 100mAHr 電池 （370mWHr），這意味著使用 10 天后可節(jié)省 4.67% 的電量。并且此分析不考慮 24 小時(shí)周期中其他 20 小時(shí)的任何節(jié)省貢獻(xiàn)。因此，DVS 提供的潛在節(jié)省是相當(dāng)可觀的。

DVS 的其他節(jié)能可能性

上面的示例重點(diǎn)介紹了使用綠色 LED 對(duì)可穿戴設(shè)備進(jìn)行光學(xué)傳感的典型方法。然而，許多可穿戴設(shè)計(jì)現(xiàn)在將其他波長(zhǎng)（紅外線和紅色）的 LED 納入其檢測(cè)方案。這種較新的 LED 在任何給定電流或測(cè)量條件下都需要比綠色 LED 更低的正向電壓。在這里，當(dāng)紅外 LED 傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，DVS 可再次用于調(diào)低電壓，并再次調(diào)高綠色 LED 的電壓。與前面的示例類似，我們正在調(diào)整適合進(jìn)行測(cè)量的電壓，而不是堅(jiān)持使用適合所有情況的最高電壓。利用不同 LED 的正向電壓變化可以以與上述條件類似的方式產(chǎn)生功率節(jié)省。

Maxim 提供兩種選擇，在兩種情況下提供具有 DVS 的超低靜態(tài)電流升降壓架構(gòu)。第一個(gè)是電源管理 IC （MAX20345） 的一部分，它還包括創(chuàng)建可穿戴系統(tǒng)所需的其他資源（充電器、降壓器和 LDO）。第二個(gè)是相同升降壓的獨(dú)立版本。無(wú)論您選擇哪個(gè)選項(xiàng)，我們都相信可以節(jié)省大量電力，而這在很大程度上是迄今為止尚未開發(fā)的。

審核編輯：郭婷