Kroppsnær teknologi: Utnytter lavenergiomforming fra menneskelig aktivitet

Fra vibrasjon-fra-tale-genererende vester for døve, Google Glass og avanserte treningslogger, til nattsynsutstyr og til og med «heads-up-skjermer», har gjort at kroppsnært utstyr er blitt vanlig i både forbruker-, forsvars- og industrimarkedet. Kroppsnært kan defineres som et produkt som bæres av brukeren i lengre tid og som, til en viss grad, utvider brukerens opplevelse som en følge av produktet. Smart kroppsnært utstyr legger til oppkobling og uavhengig dataprosessering.

Flere kategorier
Kroppsnært utstyr er delt opp i fem underkategorier: Helse/sport (aktivitetsmonitorer, treningsbånd, fotputer og pulsmålere), informasjon og underholding – infotainment (smarte briller, smartur og bildeutstyr), militær/forsvar (nattsynsutstyr, heads-up-skjermer, exo-skjelett og smarte klær), og industrielt (bærbare terminaler) [Kilde: IHS Electronics and Media, 2013]. Disse kategoriene har forskjellige markedskrefter som driver etterspørselen. For forsvaret er det behovet for å forbedre situasjonsoppfattelse, kart/veivalg, effektivitet i kamp og å redde liv. For industrien er de viktigste pådriverne bedre produksjonseffektiviet og sporbarhet. For informasjon og underholdning, er det det stadig voksende spillmarkedet med nyskapende bildebehandling og virtuell virkelighet, i tillegg til at stadig mer utstyr er i stand til å kobles opp trådløst til en smarttelefon og bli en del av tingenes internett (Internet of Things - IoT). Endelig, for segmentet helse og medisin, er de viktigste pådriverne lenger levetid, økende helse- og forsikringskostnader, ønske om å forlenge et sunt liv og redusere sykehusopphold.

Biostatisikk for velvære
Biostatistikk er vitale tegn som måler menneskroppens basisfunksjoner. Det omfatter kroppstemperatur, puls-/hjertefrekvens, respirasjonsfrekvens og blodtrykk. Disse er kritiske, siden en uønsket endring kan bety dårligere helse, og vice versa. Sykehus og legekontor er åpenbart velutstyrt med dyre inustrumenter som måler denne biostatistikken. Men, se for deg hvor mye livskvaliteten kan forbedres hvis biostatistikken kunne måles effektivt og rimelig utenfor sykehuset eller legekontoret. For eksempel, enten det er hjemme eller på arbeidsplassen, kunne livsstil og adferdsendringer bli gjort i sanntid, gjennom helseforbedring og kanskje forlenge eller redde liv. Heldigvis, en kombinasjon av lavere priser og forbedret avansert sensorteknologi har ført oss til et punkt der spredingen av medisinsk- og smart kroppsnært utstyr øker. Dette inkluderer enklere «enkeltmålere» som kobles til kroppen, til mer sofistikerte heldekkende, sensorfylte exo-skjeletter. Men, sett fra en integrert elektronikkrets’ ståsted, partisjonering og effektiv strømforsyning til dette utstyret er ikke en triviell sak. For å forstå dette bedre, la oss se under «panseret» til et typisk kroppsnært produkt.

Typisk smart kroppsnært utstyr
Hva er det som gjør at et typisk kroppsnært utstyr fungerer? Vel, man kan tenke på det som et innvevd system i miniatyr. Eksakt partisjonering er selvsagt avhengig av selve produktet. Imidlertid er kjernearkitekturen i smart kroppsnært utstyr generelt en kombinasjon av følgende:

• en mikroprosessor eller mikrokontroller, eller lignende krets
• en eller annen form for elektromekaniske sensorer (MEMS)
• små mekaniske aktuatorer
• navigasjonskrets (GPS)
• Bluetooth/mobil/Wi-Fi-oppkobling for å samle inn/behandle og synkronisere data
• bildebehandlingselektronikk, LED
• dataressurser
• oppladbare eller ikke oppladbare (primær) batterier eller batteripakker
  støtteelektronikk.

Utfordring: strømtrekk
En bærbar enhets primære designmål er vanligvis å ha en kompakt formfaktor, lav vekt og ha et ultralavt energiforbruk for å ha lengst mulig batterilevetid. Men å forsyne disse enhetene effektivt og nøyaktig med minimalt strømtrekk er ikke så enkelt. Noen av hovedutfordringene ved å strømforsyne smart, kroppsnært utstyr er blant annet:

• Lavt strømforbruk fra kraftstyringskretsen i et batteridrevet produkt er helt vesentlig for økt driftstid. En mikro- eller nanoenergi omformerkrets er nødvendig.
• En MEMS-sensor krever energi fra en lavstøy, regulert kilde. Aktive aktuatorer kan også ha fordel av dette. En LDO eller lavrippel svitsjeregulator er ideell for slike linjer siden de har lav utgangsstøy.
• Bluetooth/RF/Wi-Fi/mobil oppkoblingssystemer krever også lav støy. En lav utfallsregulator, siden utgangsstrømmen kan være høy, eller en LDO etterregulert svitsjeregulator, eller en lavrippel svitsjeregulator er utmerkede valg.
• Prosessorkraft («hjernen» i utstyret). Fra ARM Cortex mikrokontrollere, DSPer, GPS-kretser eller FPGAer trenger forskjellige lavspenningsforsyninger, som strekker seg over et helt register av strømmer. Disse kan drives av LDOer eller svitsjeregulatorer.
• Siden ikke alt kroppsnært utstyr drives av oppladbare batterier – noen benytter primærcelle- (ikke-ladbare) batterier som trenger å ha lang driftstid før de byttes ut, Derfor er det å finne en måte å estimere batterlevetid på svært viktig.
• Kompakt størrelse og lav vekt gjør utstyret mer komfortabelt for brukeren. Kretser i kompakte pakker gir små enheter, slik at utstyret kan både ha liten formfaktor og lav vekt.

Kretsløsninger med ultralav hvilestrøm
Det er helt klart at en kretsløsning som løser utstyrets applikasjonsbehov, i tillegg til elementer vi har vært inne på, bør ha følgende egenskaper:

• Ultralav hvilestrøm, både i driftsmodus og avslått
• Bredt spenningsområde ved inngangen for å håndtere flere kraftkilder
• Evnen til å drive sammensatte forsyningssystemer effektivt (noen med spenninger >5V)
• Evne til å måle lading og utlading nøyaktig (coulomb teller) uten å påvirke hvilestrømmen vesentlig (batteriforbruk), for å bestemme batterilevetid
• Liten, lav vekt og lavprofilsløsning
• Avansert pakking for bedre termisk ytelse og plassutnyttelse

Nye produktlanseringer fra Linear Technology, som den ultralave Iq LTC3388/-x buck regulator, nanoenergi LTC3331 energihøste-regulator og LTC3335 buck-boost omformer med integrert Coulomb teller har allerede de fleste av disse egenskapene.

Synkron buckomformer
LTC3388 er en synkron buck-omformer med ultralav hvilestrøm som kan levere opp til 50mA utgangsstrøm fra en 2,7V til 20V forsyning. LTC3388’ens driftsstrøm på kun 720nA gjør den ideell til en rekke batteridrevne og applikasjoner med lav hvilestrøm, som «holde liv i»-forsyninger og kroppsnært utstyr. Dens hysteresiske, synkrone likeretter optimaliserer effektiviteten over flere laststrømmer. Den har også en lasteffektivitet på over 90%, fra 15uA til 50mA, og krever bare 720nA ikke-last hvilestrøm for regulering, og dermed utvide batterilevetiden. Kombinasjonen med en 3mm x 3mm DFN pakke (eller MSOP-10) og kun fem eksterne komponenter, gir en svært enkel og kompakt fotavtrykksløsning for en rekke lavenergiapplikasjoner. Figur 1 viser en typisk LTC3388 applikasjonskrets.

Nanoeffekt hvilestrømskretser
LTC3335 er en nanoeffekt, høyeffektiv synkron buck-boost omformer med en innebygget presisjons coulomb teller som leverer opp til 50mA kontinuerlig utgangsstrøm. Med kun 680nA hvilestrøm og programmerbare inngangstoppstrømmer fra så lavt som 5mA opp til 250mA, er den ideell for en rekke lavenergi batteriapplikasjoner, som for eksempel det man finner i kroppsnært utstyr og IoT-enheter. Inngangsområdet fra 1,8V til 5,5V og 8 valgbare utganger mellom 1,8V og 5V gir en regulert utgangsforsyning med en inngangsspenning over, under eller lik utgangen. I tillegg gir komponentens integrerte presisjon (±5% målenøyaktighet på batteriutlading) coulomb teller en nøyaktig overvåkning av akkumulert batteriutlading av ikkeladbare batterier med lang levetid, som i mange tilfeller har ekstremt flate utladingskurver.

Anvendelser
Typiske anvendelser inkluderer trådløse sensorer, fjernsensorer, og Linear Technology’s Dust Networks SmartMesh systemer. LTC3335 inkluderer fire interne lav RDSON MOSFET og kan levere en effektivitet på opp til 90%. Andre egenskaper inkluderer en programmerbar terskelutladingsalarm, et I2C grensesnitt for tilgang til coulomb telleren og programmering av komponenten, en «Power Good»-utgang og 8 valgbare inngangstoppstrømmer fra 5mA opp til 250mA for å håndtere flere batterityper og størrelser. LTC3335 er tilgjengelig med en driftstemperatur (junction) fra -40°C til +125°C i en termisk forbedret, 20-leders 3mm x 4mm QFN pakke. Figur 2 viser en typisk LTC3335 applikasjonskrets.

Energihøsting
LTC3331 er en komplett energihøsteløsning som leverer opp til 50mA kontinuerlig utgangsstrøm for bedre batterilevetid der energihøsting er tilgjengelig. En enkel 10mA shunt muliggjør lading av et oppladbart batteri med energihøsting, samtidig som en batteriutkoblingsløsning beskytter batteriet mot full utlading. Det kreves bare 200nA forsyningsstrøm fra batteriet når energien er regulert fra energihøsting og bare 950nA drift når det er forsynt fra batteriet under ikke-lastforhold. LTC3331 integrerer en høyvolt energihøsteforsyning, en batterilader, og en synkron buck-boost DC/DC-omformer, slik at man får en enkel, kontinuerlig regulert utgang for energihøsteapplikasjoner som i trådløse sensornettverk.

Funksjonsmåte
Energihøsteforsyningen, med en fullkurve brolikeretter med AC- eller DC-innganger og en høyeffektiv buck-omformer, høster energi fra piezoelektriske- (AC), solar- (DC), eller magnetiske (AC) kilder. Når energihøsting ikke er tilgjengelig, driver inngangen til det oppladbare batteriet en buck-boost-omformer som opererer over hele spenningsområdet til batteriet opp til 4,2V, og kan regulere enten inngangen er over, under eller lik utgangen. LTC3331 går automatisk over til batteriet når energihøstekilden ikke lenger er tilgjengelig. Energihøsteinngangene til LTC3331 opererer fra et spenningområde på 3V til 19V AC eller DC, noe som gjør den ideell til en rekke piezoelektriske-, solar-, eller magnetiske energikilder. Dens programmerbare underspenningsterskel ved inngangen går fra 3V til 18V, slik at applikasjonen kan operere energihøstekilden ved dens toppeffektpunkt. Andre egenskaper inkluderer pinneprogrammerbare utgangsspenninger og buck-boost toppstrømsgrenser, en superkondensator-balanserer og en beskyttelses-shunt ved inngangen. LTC3331 er tilgjengelig i en termisk forbedret 5mm x 5mm QFN pakke. Figur 3 viser en typisk LTC3331 applikasjonskrets.

Konklusjon
Markedet for smart, kroppsnært utstyr har eksplodert de senere årene og består av en stor variasjon av produkter for applikasjoner innen helse og sport, medisin, underholding, militær og industri. En ny bølge av produkter, inkludert sensorfyllte, medisinsk helse- og velværeutstyr, kan overvåke viktige biostatistikker som hjertefrekvens og blodtrykk utenfor legekontoret, noe som kan føre til muligheter til mer proaktiv og sunnere livsstil. Kjernearkitekturen i smart kroppsnært utstyr avhenger av produkttype, men består i hovedsak av en mikrokontroller, MEMS-sensor(er), trådløs oppkobling, batteri og støtteelektronikk. Å tilføre energi til en lavstrøms enhet kan vise seg å være utfordrende; men, Linear Technology tilbyr en portefølje av ledende produkter som er i stand til å levere høy ytelse ved lave energinivåer. Komponenter som den ultralave Iq LTC3388 buck-regulatoren for energihøsting og for nanoenergiforbruk, LTC3331 buck-regulator for energihøsting & LTC3335 buck-boost regulator med integrert coulomb teller, kan i stor grad forenkle og forbedre ytelsen i smart, kroppsnært utstyr.