想象一下，你的智能手表在晚餐前没电了。你会错过各种提醒、步数统计和心率信息。电池续航时间短会让用户很不满意。
用户最直接的感受就是电池续航。电池续航时间短和频繁充电会让用户感到不满。
设计师面临着巨大的挑战。他们必须在不增加过多电量的情况下，为更小巧的可穿戴设备添加更多功能。他们必须密切关注能耗。传统的固定功率设计无法跟上用户习惯的改变，导致电量浪费。这进而造成频繁充电和电池电量突然耗尽。
本文阐述了可穿戴设备设计的低功耗优化方案，并提供了一套平衡性能、能耗和用户体验的清晰方案。您将了解问题所在，了解各种电源方案，并学习明智的选择。
关键精华
选择低功耗部件，例如 MSP430 或 ARM Cortex-M0+，以延长电池续航时间。
使用占空比循环以脉冲方式打开和关闭传感器，可减少一半以上的能源消耗。
利用情境感知技术，根据用户正在做的事情来改变功耗，在用户休息时节省电池电量。
利用能量收集和基于人工智能的电源管理，进一步降低能耗。
通过将繁重任务发送到配套设备并使用低功耗无线协议（如 BLE）来平衡性能和效率。
可穿戴电子设备的功耗
你制造的每一款可穿戴设备都面临着同样的问题：体积小巧，能量消耗却很有限。在进行任何改进之前，你需要了解能量都消耗在了哪里。主要的耗电部件是传感器、处理器、无线电模块和显示屏。每个部件都会消耗一些电量，它们共同决定了设备的续航时间。
可穿戴设备的主要耗电点
传感器持续收集数据。处理器将这些数据转化为有用的信息。无线电模块将结果发送到手机或云端。显示屏向用户展示重要信息。每个部件的耗电量各不相同，你需要了解这些数值。
组件类别 | 特定组件 | 能量消耗 |
|---|---|---|
传感器（心率采集） | 电子纹身传感器 | 3毫瓦 |
带有PPG传感器的可拉伸OLED阵列 | 16.5毫瓦 | |
压缩感知光电容积脉搏波描记法集成电路 | 1.66毫瓦 | |
高采样率系统 | 13.468毫瓦 | |
处理器（心率计算） | BioAIP处理器 | 46.8微瓦 |
三元神经网络处理器 | 746毫瓦 | |
低功耗统计快速傅里叶变换 | 2.4毫瓦 | |
无线（传输） | BLE无线传感器贴片 | 低于 3 毫瓦 |
DCT-IV压缩算法 | 低于 5 毫瓦 | |
动态反馈自适应调制 | 60毫瓦 | |
具有无线传输功能的心率监测系统 | 44.57毫瓦 | |
三线便携式无线传输系统 |
传输距离令人惊叹。一个微型神经网络处理器仅消耗 746 纳瓦，而一套完整的无线传输系统却消耗 72.6 毫瓦。这差别非常大。您选择的组件会直接影响您的功耗预算。
外形尺寸对电池寿命的影响
可穿戴设备的尺寸限制了其电池容量。电池组越小，能储存的能量就越少。智能戒指的空间远小于智能手表，因此其电池储存的能量也更少。这种限制使得从一开始就必须考虑能效问题。
购买能耗更低的零部件有助于延长电池寿命。电源管理方案变得至关重要。你不能仅仅更换更大容量的电池，而必须降低能耗。
想想无线通信。BLE 快速模式下的广播电流约为0.48 mA，中速模式下约为 0.078 mA，而慢速模式下仅需 18 µA。你的微控制器在工作状态下电流约为 4 mA，而 IMU 传感器的电流则低于 5 µA。这些数字表明你的通信方案有多么重要。
您的电源管理方案必须平衡所有这些因素。您需要决定哪些组件保持开启状态，哪些组件关闭。您需要选择何时发送数据，何时将数据保存到本地。每一个选择都会影响电池续航时间和用户体验。
低功耗优化硬件设计
选择合适的组件首先要了解您的功耗预算。您需要能够深度休眠的处理器，以及功耗极低的传感器，而不是功耗巨大的传感器。Ambient Scientific 的GPX10 处理器采用特殊的模拟内存计算设计，使可穿戴医疗设备能够使用小型电池运行数月之久的 AI 程序。这是超低功耗芯片技术的一大进步。
您选择的组件决定了您的电源方案。选择具有多种低功耗模式的系统级芯片 (SoC)。大部分时间让主处理器处于睡眠状态。使用超低功耗的控制器持续收集数据。该控制器仅在需要时才唤醒主处理器。这种分离式设计可以节省大量能源。
仔细考虑屏幕的选择。AMOLED 屏幕可以逐个关闭像素，比 LCD 屏幕节能高达 40%。对于小型设备来说，这其中的差别至关重要。电池容量不变，所以节省的每一毫瓦电量都能延长电池续航时间。
选择节能部件
首先从处理器入手。选择本身功耗低的芯片。MSP430 系列仍然是处理简单任务的理想之选。对于更复杂的任务，则应选择具有动态电压频率调节 (DVFS) 功能的处理器。DVFS 会根据系统当前的需求调整电压和频率。在执行简单任务时，系统运行速度会降低；当用户需要快速响应时，处理器会加速运行。研究表明，在低功耗 VLSI 设计中，DVFS 可以节省27.74% 到 47.74% 的能耗。这一范围代表了实际可测量的节能效果。
无线连接方式的选择也很重要。低功耗蓝牙 (BLE) 仍然是可穿戴设备的标准配置，它能很好地处理低占空比应用。对于极短距离，近场通信 (NFC) 的功耗更低。Wi-Fi 或蜂窝网络则更适合偶尔进行的高速数据传输。
电池技术不断进步。硅碳复合阳极可在不增加设备体积的情况下，将能量密度提升约 25%。这意味着在相同空间内可以获得更大的功率。能量采集技术则提供了另一种选择。德州仪器 (TI) 的bq25570 集成电路可以从人体热量、运动或光线中采集微弱能量。它将 300-400 毫伏的输入电压提升至 3-5 伏，从而为电池充电。虽然采集的能量本身无法驱动智能手表，但它有助于延长电池续航时间。
PCB布局和电源门控技术
电路板布局直接影响电源管理。使用电源门控技术可以完全关闭未使用的模块，从而降低空闲部分的漏电流。动态电压调节与电源门控技术配合使用，共同构成一套完整的功耗降低方案。
设计PCB时，应采用多路电源轨。电源管理集成电路（PMIC）负责控制这些电源轨并分配电源。PMIC负责充电并添加安全功能，还能为不同的元件提供不同的电压。例如，传感器电源轨可能需要1.2V，而无线电模块电源轨则需要1.8V。
散热管理也至关重要。更高的功耗会产生更多热量。这些热量可能会导致佩戴在头部或手腕上的设备出现不适甚至安全隐患。使用低热阻的PCB板有助于更好地散热。高效元件则能从源头上减少热点。
关闭SoC内部未使用的外围时钟。每个激活的时钟都会消耗电量。设置优化的数据帧格式以减小有效载荷大小。更小的有效载荷意味着更短的传输时间。更短的传输时间意味着更低的无线电功率。
将振动器、LED 和显示屏等患者通知组件连接到超低功耗控制器。这种设置可以让主处理器保持休眠状态。低功耗控制器负责处理简单的任务，仅在需要进行复杂分析时才会唤醒主处理器。这种设计模式最大限度地延长了休眠时间，并减少了能源浪费。
您的电源管理方案必须考虑每一个环节。每一个选择都会影响整个系统。良好的电源管理能够延长电池续航时间。精心设计能够平衡性能与能效。最终打造出一款续航一整天、令用户满意的设备。在可穿戴电子产品领域，每一个决策都至关重要。可穿戴电子产品需要采用全系统方法。能效优化始于组件层面。这种优化超越了单个部件的范畴。
电源管理软件和通信策略
硬件选择奠定了基础，而固件则决定了如何高效利用这些硬件。智能软件无需更换任何部件即可显著延长电池续航时间。其核心在于了解设备何时必须保持活动状态，何时可以安全进入睡眠状态。
固件优化和占空比
占空比是电源管理套件中最强大的工具之一。它不是让传感器一直运行，而是在空闲期间以较低的频率脉冲式运行。例如，一个带有加热器的气体传感器，持续消耗 34 mA 的电流。通过以 40% 的占空比脉冲式运行该加热器，可以将平均电流降低到 15.65 mA。功耗从 102 mW 降至 46.95 mW。传感器仍然保持足够的温度以快速响应，同时节省了一半以上的能源。
该过程遵循一个简单的模式。首先，使用 2 kHz 的脉冲电流预热传感器。占空比高于 40% 并不会显著缩短预热时间。接下来，切换到空闲模式，并保持 40% 的脉冲电流以维持温度。最后，当需要读取数据时，施加全直流电流。储存的热量可使传感器快速达到工作温度，从而最大限度地减少等待过程中的能量损耗。
事件驱动型固件可以进一步节省功耗。用中断驱动逻辑替换轮询循环。将任务分组，使它们在一个唤醒周期内运行。关闭未使用的外设和时钟。使用直接内存访问 (DMA) 进行数据传输。每种方法都能减少活动时间，而活动时间会消耗电量。
嵌入式机器学习更进一步。深度强化学习能够实时适应每个用户的习惯。多智能体系统分别控制每个部分。迁移学习加快了新用户的设置速度。这种方法可将电池续航时间延长 36%，并将用户满意度提高 25%。您的设备会学习您何时睡觉、何时锻炼以及何时查看通知，并调整操作以与之匹配。
利用低功耗无线协议
无线设备的选择决定了整体的电源预算。低功耗蓝牙 (BLE) 仍然是可穿戴设备的标准配置，可提供3-5 年的电池续航时间。低功耗广域网 (LPWAN) 协议的电池续航时间可达 10-15 年，但它更适合部署后无需维护的应用场景，而非交互式可穿戴设备。两者之间的权衡体现在延迟和数据速率上。BLE 擅长处理频繁的小规模传输。LPWAN 的优势在于远距离进行罕见的小规模更新。
将计算任务卸载到配套设备可降低系统功耗高达 20%。您的可穿戴设备收集原始数据，将其发送到手机，然后接收处理后的结果。这样就减轻了电池的负担。您的电源管理方案应考虑这种混合方案。
通信调度方面的设计选择也至关重要。以稳定的时间间隔发送数据。压缩有效载荷。仅在需要时唤醒无线电模块。这些看似微小的选择，在设备的整个使用寿命期间，都能显著节省能源。
可穿戴设备性能与效率的平衡
设计可穿戴设备时，你会面临诸多选择。每增加一项功能都会消耗电量，每增加一个传感器都会耗电。关键在于了解用户真正需要什么，以及他们何时需要这些功能。
管理用户体验中的权衡取舍
首先选择微控制器。ARM Cortex-M0+兼具高性能和低功耗。M4 的 DSP 扩展功能可加速卡尔曼滤波等任务。快速唤醒时间和自运行外设可使 MCU 保持休眠状态，直到传感器阈值触发动作。此电源计划可大幅降低功耗。
电池技术带来了另一种权衡。一次性电池能量密度更高，但设计难度更大。可充电电池则允许设计得更薄。定制形状的电池能最大程度地利用空间。由于您的设备尺寸较小，电池容量受到限制，因此您必须围绕这一限制进行规划。
传感器集成也面临着类似的挑战。基于CMOS的传感器功能丰富，但需要谨慎选择。光学传感器需要透光材料。电源门控可以减少电池电量消耗，但会增加设计复杂性。最佳集成方案取决于用户体验、成本和应用场景。这一选择将决定您的整体电源方案。
无线通信是系统中耗电最多的设备。蓝牙智能仍然是主要的低功耗选项。您发送数据的频率和数量会极大地影响电池续航时间。高数据量会在几小时内耗尽电池电量。谨慎使用可以将电池续航时间延长至数周甚至数月。您必须决定可穿戴设备与手机同步的频率。此同步计划是电源管理方案的关键部分。
情境感知功能会在不需要时减少感知次数。例如，您的可穿戴设备会在用户休息时降低心率监测频率，而在运动时则提高监测频率。这样既能在安静时段节省电量，又能确保在活跃使用时设备功能齐全。
情境感知功能可在安静时段节省电量，同时在活跃使用时段保持全部功能。
成功平衡的真实世界案例
现代可穿戴设备将工作分配给多个处理器。一个高性能的主MCU与专用传感器中心和始终开启的协处理器配合使用。空闲时，主CPU进入深度睡眠状态，功耗极低。一个运行在微安级的微型传感器中心负责处理诸如计步之类的简单任务。主处理器仅在处理图形处理或调用等高负载任务时才会唤醒。
自适应内存压缩技术展现出显著成效。该方法在保持性能的同时，降低了实际的内存访问需求。研究表明，它可以节省 20-25% 的电量。节能型内存调度仅在预测的繁忙时段启用额外的内存，从而将电池效率提升高达 30%。
付款方式 | 对权衡取舍的量化影响 |
|---|---|
自适应抽样（NSF 研究） | 数据量最多可减少 69%，核心子系统功耗降低超过 57%。 |
边缘人工智能/TinyML（MDPI 研究） | 在减少原始数据发送量的同时，运动追踪准确率超过 88%。 |
传感器融合与占空比 | 节能约 35%，测量精度几乎没有损失。 |
优秀的消费级可穿戴设备都遵循一些共同的设计原则。它们能增添趣味性和兴奋感，提升用户体验。它们能持久续航，减少充电频率。它们提供表扬、奖励和适时的提醒。它们允许用户自定义界面和目标。它们注重易读性，采用清晰的字体和良好的对比度。它们通过可靠的数据记录和隐私保护来建立信任。
将高功耗任务转移到其他设备可以节省电池电量。处理和显示任务通过低功耗蓝牙传输到已配对的智能手机。像 ARM Cortex-M0 或 TI MSP430 这样的超低功耗微控制器 (MCU) 可以快速处理数据，并在空闲时进入低功耗睡眠模式。低功耗传感器信号调理，例如 STMicro 的 OA4NP 运算放大器（每通道电流仅为 580nA），可以降低外围设备的功耗。这些选择体现了可穿戴设备中智能的能源利用方式。
动态电压和频率调节存在局限性。电压调节器的效率曲线、开关开销以及最低电压水平都会造成“死区”。降低频率并不总是意味着同等程度的节能。从深度睡眠中唤醒的延迟时间从微秒到毫秒不等。您必须在快速响应和节能之间做出选择。
热管理又增加了一层考量。高性能运行会产生热量，从而触发降频。高温会加速电池老化并降低有效容量。锂离子电池的放电曲线并非线性。峰值电流限制会导致高性能脉冲期间电压下降。您的电源预算必须考虑到这些因素。
低功耗优化需要全面考量。你需要在用户需求和能耗限制之间取得平衡。你需要选择符合使用场景的组件。你需要采用能够感知情境并适应实际行为的方法。这种方法可以打造出续航全天且令用户满意的可穿戴设备。
低功耗设计领域的新兴趋势
低功耗优化技术不断进步。新技术让您突破旧有的限制。其中两大趋势尤为突出：能量采集和人工智能驱动的电源管理。
能量收集与先进电池
能量采集技术可以从周围环境中获取能量。压电材料可以将人体运动转化为电能。皇家飞利浦公司将柔性压电材料应用于服装和配饰中。他们的产品可以从日常活动中产生5-10 毫瓦的能量。这种能量足以驱动传感器和无线通信模块。
韩国科学技术院（KAIST）构建了一种混合结构，将柔性压电聚合物与刚性陶瓷相结合。这种多层设计增强了压电效应。他们的原型产品仅利用收集到的能量即可不间断地为传感器和小型电子设备供电。
光伏电池提供了另一种选择。柔性硅和钙钛矿光伏电池可以安装在腕带或纺织品中，为智能手表和脉搏血氧仪等设备供电。热电发电机利用人体在37°C附近的热量为智能服装供电。摩擦纳米发电机（TENG）利用接触分离模式为可穿戴汗液传感器供电。压电纳米发电机（PENG）则安装在鞋垫或表带中。混合系统结合了多种能源，以提供更稳定的电源。
压电能量采集市场尚处于起步阶段。香港应用科技研究院、英特尔公司和亚德诺半导体公司等企业正积极推动创新。生物燃料电池提供了另一种选择，它们可以从汗液中提取化学物质。这些电池可以制成可拉伸的电子皮肤或基于纺织品的可印刷电池。先进的电池也在不断改进。柔性电池和超薄组件使得电池可以采用新的形状并延长运行时间。能量采集技术可以增强电源，在不增加体积的情况下延长运行时间。
人工智能驱动的电源管理
机器学习算法现在可以预测用户行为。您的可穿戴设备会学习您的睡眠或运动时间，并在无需用户干预的情况下自动调整运行模式，以实现最佳效率。这种人工智能驱动的优化可以减少电力浪费。随着时间的推移，算法会逐渐适应您的习惯，学习何时检查传感器以及何时保持空闲状态。
边缘计算让处理过程在本地完成。到 2025 年，产品将不再局限于健康追踪，而是成为物联网的关键组成部分。它们可以与智能家居系统、增强现实平台和车辆连接。人工智能/机器学习技术直接在硬件上运行，用于识别、分类和预测任务。这一切的实现无需消耗大量电力或承担高昂的数据传输成本。您的设备在边缘端处理这些任务，无需依赖云服务器进行任何决策。
这种方法减少了向云端发送数据的需要。您的设备可以节省无线传输资源。其结果是电池续航时间更长，电源管理也更加智能。这些趋势预示着未来产品将不再那么依赖大型电池组。您的任务是巧妙地将这些技术结合起来。
低功耗优化并非牺牲性能，而是在整个设计过程中做出智能且符合上下文的决策。您的工具包涵盖硬件、软件和通信策略。您必须始终考虑从传感器到云端的整个系统。每个组件的选择都会影响电池续航时间，每个固件决策都会影响整体效率。在开发过程中采用整体方法。能量采集和自适应算法等新兴趋势有望带来更大的节能效果。这些设备可以在不牺牲性能的前提下运行更长时间。持续学习和尝试新想法。您的下一代可穿戴设备将真正有效地平衡性能和功耗。立即开始优化吧！
常见问题解答
典型的可穿戴设备组件消耗多少电量？
不同组件的功耗差异很大。一个微型神经网络处理器仅消耗 746 nW，而一套完整的无线传输系统则可能消耗 72.6 mW。您的选择直接影响您的功耗预算，因此在确定设计方案之前，请仔细评估每个组件。
什么是占空比？它为什么重要？
占空比循环技术通过脉冲式开关传感器来控制其运行，而不是使其持续运行。例如，一个持续消耗 34 mA 电流的气体传感器加热器，在 40% 的占空比下，平均电流降至 15.65 mA。这项技术能够显著降低能耗，同时确保传感器在需要时保持响应。
我的可穿戴设备应该选择哪种无线协议？
低功耗蓝牙 (Bluetooth Low Energy) 仍然是大多数可穿戴设备的标准选择，电池续航时间可达 3-5 年。低功耗广域网 (LPWAN) 协议的电池续航时间可达 10-15 年，但更适合部署后无需维护的应用。在选择时，请考虑您的数据传输频率和延迟需求。
如何平衡性能和电池续航时间？
首先，利用情境感知技术。休息时降低心率监测频率，运动时提高频率。使用低功耗控制器处理简单任务，仅在需要进行复杂分析时才唤醒主处理器。这种方法在用户空闲时节省能源，同时在用户需要时保持全部功能。
