微型穿戴裝置電源管理設計與充電技術
- DIGITIMES企劃
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傳統的手錶功能單純、簡便、耗電量極低，一顆水銀電池就可運作一年以上，不需要常常脫下來換電池。然在穿戴式裝置上，因為功能增多，使得以年計的電池續航力很難實現，也是穿戴式裝置最大的痛點之一，因此採用低功耗技術元件、搭配好的電源管理、與更方便的充電技術，來延長穿戴式裝置的電池續航力，加速市場普及…
穿戴式裝置的應用很多，舉凡穿戴在身上的電子產品，都可以稱作穿戴式電子產品。由於其應用廣泛，功能也非常分散，廠商想在穿戴式裝置開發出一款產品來吃遍天下，恐怕不容易。雖說科技大廠都是以豐富的行動裝置開發經驗，來挑戰開發穿戴式裝置，但由於穿戴式裝置屬於跨電子、紡織、時尚…等產業的產品。而各產業在設計這類產品的構想與概念，不一定相同，PM(產品經理)在規劃這類產品時，除了要懂規格、懂應用、必要時還得具有時尚的元素，才能讓產品既美觀又好穿戴。
不同於行動裝置，穿戴式裝置的體積更小、重量更輕，像是智慧手錶、手環、戒指等類別的產品，以穿戴舒適度來說，最好不要超過200g，因此穿戴式產品的重量可是「克克」計較，且電源設計上也是要盡量發揮能效，「分秒必爭」，以提升電池續航力。所以在選擇穿戴式裝置的系統元件，增加功能與維持續航力下必須做一定的取捨。
以CPU元件來說，採低功耗SoC(單晶片)已成主流，而在晶片封裝技術部份，也從MCP(Multi-Chip Package；多晶片封裝)，進化到3D立體堆疊(3D Stacks)，將CPU、記憶體、RF、與各種MEMS統統整合在一顆IC裡面，除可微縮線路間距、減少PCB面積，亦可降低電源的耗損。
低耗電MCU部份，有Freescale(飛思卡爾)的Kinetis Mini MCU，採用Cortex-M4架構，速度最高達150MHz。而ST(意法)的STM32F系列，採用32-bit Cortex M3或M4 ARM架構，依產品等級將DSP與FPU整合，也有Cortex-M0的Ultra low power(超低功耗)的MCU，以STFM32F01 MCU的功耗來說，可到128µA/MHz、而在Stop模式下更可低到9 µA。
也有廠商直接拿行動裝置專用的AP(應用處理器)來設計穿戴式裝置，大多是ARM Cortex-A7、A9或A11，採雙核或異質架構設計，這類的產品通常有搭配螢幕顯示，有些還具備觸控功能，產品功能多，耗電比較兇，也必須配置較大容量的電池。
各穿戴式裝置的硬體配置與續航力分析
上述主打運動健身的智慧手環產品，大多採用上述的MCU(微控制器)來當成其主要處理器，採Cortex-M0、M3或M4架構，搭配省電型RAM，配置大約1MB以下，快閃記憶體也不超過16GB。可提供基本的系統運作、動作數據(Motion Data)收集；在無線通訊方面，幾乎清一色採用低功耗藍牙4.0標準(BLE)，耗電量小於15mA。這類手環有Nike+ FuelBand、Jawbone UP、Fitbit Flex，Sony Smartband SWR10，續航力可以超過5天以上。
在主打資訊娛樂的智慧手錶產品，採低功耗MCU＋黑白螢幕達到節電效果的有Pebble、Kreyos Meteor，皆是採用夏普的黑白Memory LCD，只有畫面更新時才會耗電，也具備5？7天電池續航力。而採用低功耗MCU＋彩色螢幕的產品，有Sony Smartwatch SW2、Qualcomm Toq、Samsung Gear Fit，這些產品約使用3？4天就要充電。
至於功能全面的智慧手錶產品，採用AP＋彩色螢幕的，就大概跟智慧型手機一樣，只能支撐不到1天。例如i’m Watch(採Freescale MX233 450MHz CPU)、WIMM One (ARM11 667MHz CPU)、Adidas miCoach SMART RUN (採TI OMAP 4430雙核1.2GHz，僅4小時)。而全功能的智慧手錶手機產品，像是採MTK6572雙核1.2/1.3GHz的Yingqu(映趣) InWatchZ/Omate TrueSmart 2.0，以及Neptune Pine (採Qualcomm S4雙核1.2GHz)，也都是僅有以小時計的電池壽命。
上述的產品可看到都是增加功能(效能)犧牲電力或增加續航力就犧牲功能。不過有廠商針對穿戴式裝置推出低能耗的CPU，Ingenic(君正)的MIPS架構CPU，採用就號稱其CPU運行時只需要1顆LED發光的能量。目前GEAK(果殼) inWatch與Smartdevices(智器)的Z Watch都採用JZ4775 MIPS CPU 1GHz，能做到 2？3天的續航力，以及近12天的待機能力。
充電技術大比拼
在充電技術方面，由於USB規範的最大電壓與電流輸出為5V與5A(充電模式)，且是當今最廣泛的週邊連接規範，可與電腦做資料傳送或同步，因此其家族規格，廣被廠商用來當作各種行動裝置的充電設計。以目前Android手機？平板大多採用microUSB插頭的的充電頭，以100？240V全電壓輸入，5V直流電1A/2A輸出；至於蘋果手機則是傳統30pin接頭或新款採用Lightning的8pin雙方向接頭，原廠Lightning充電線內部有配置有TI BQ2025的電源管理IC，與NXP NX20P3電源保護IC兼防偽用，來為行動裝置充電。
在穿戴式裝置的充電設計上，則各有不同。以手錶和手環產品為例，有些產品是設計成主機和錶(腕)帶可拆離，以便更換或充電連接。在充電孔的設計部份，依方便度來排序的話，有第1類：直接設計成USB插槽直接插入電腦USB埠來充電(如Nike+ FuelBand)；第2類：沿用傳統microUSB埠的(如Sony Smartwatch SW2/Smartband SWR10)；第3類：採用自家特製的充電接觸點(pad)，必須搭配專屬充電裝置來充電(如Pebble、i’m Watch、Mio Alpha、Samsung Gear 2/Neo/Fit)。
無線充電技術為穿戴式裝置闖出一片天
穿戴式產品(如智慧手錶？手環？戒指？眼鏡等)，如果能採用上無線充電技術來設計，可以將產品完全密封，達到防水、防塵效果，不用擔心弄傷充電接觸點？孔。而目前已經有廠商採用無線方式來設計，並有實際產品推出。建議可以在消費者會脫下來的情境(例如洗澡時)，設計成浴室鏡台專用的無線充電基座。
無線充電(Wireless Recharging)技術上，可分成磁感應與磁共振兩類，目前有三種無線充電技術聯盟，包括：無線充電聯盟WPC(Qi)、無線電力聯盟A4WP、電力事業聯盟PMA。其中以WPC聯盟因成立較久，聲勢最浩大，Google、三星、蘋果都力拱該聯盟的規格，已有超過500種Qi認證的產品上市。據悉AGENT和Moto360智慧手錶採用Qi無線充電標準。
在擴充配件部份，Tylt公司的VÜ-Mate和Focuslink(中宇)的SP3FL-6系列，都是符合Qi標準的無線充電接收貼片，可以直接貼在Samsung Galaxy S4/S5/S3或Note 3/2的電池上面，搭配其專屬的Qi充電基座，即可無線充電。電流輸出為0.5A，能源轉化率達到70%，充電時間比有線充電多1/5；此外，也有廠商推出iPhone的充電背蓋。
然而磁感應的無線充電技術只限於一對一，而且只能是平面上，A4WP聯盟(前身為WiPower)的Rezence磁共振技術，可以應用在一對多、非表面的產品上，因此可以實現一個無線充電板，同時為多支手機、穿戴式裝置來充電。A4WP由Qualcomm主導，Intel也加入該聯盟，目前已知Qualcomm的智慧手錶Toq採用A4WP的無線充電技術。
至於另一家PMA聯盟採磁感應技術，雖也有微軟加入該聯盟，且在美國部分星巴克和麥當勞設置無線充電熱點，並提供開放的Open Network API，但為了對抗日益龐大的WPC聯盟，A4WP和PMA兩家於2014年2月宣布合作，將一起制定並推出磁感應＋磁共振雙模技術的規格，搭配其開放式網路API來做管理。
已知博通(Broadcom)在5月28日正式發表了BCM59350電源晶片，同時支援A4WP、PMA、WPC等三種標準，讓廠商在開發智慧型手機、穿戴式裝置時，更容量將無線充電功能導入。
