想像一下，你的智慧手錶在晚餐前沒電了。你會錯過各種提醒、步數統計和心率資訊。電池續航力短會讓用戶很不滿意。
用戶最直接感受到的就是電池續航力。電池續航力短和頻繁充電會讓用戶感到不滿。
設計師面臨巨大的挑戰。他們必須在不增加過多電量的情況下，為更小巧的穿戴裝置添加更多功能。他們必須密切注意能耗。傳統的固定功率設計無法跟上使用者習慣的改變，導致電力浪費。這進而造成頻繁充電和電池電量突然耗盡。
本文闡述了穿戴式裝置設計的低功耗優化方案，並提供了一套平衡效能、能耗和使用者體驗的清晰方案。您將了解問題所在，了解各種電源方案，並學習明智的選擇。
關鍵要點
選擇低功耗零件，例如 MSP430 或 ARM Cortex-M0+，以延長電池續航時間。
使用佔空比循環以脈衝方式開啟和關閉感測器，可減少一半以上的能源消耗。
利用情境感知技術，根據使用者正在做的事情來改變功耗，在用戶休息時節省電池電量。
利用能量收集和基於人工智慧的電源管理，進一步降低能耗。
透過將繁重任務發送到配套設備並使用低功耗無線協定（如 BLE）來平衡效能和效率。
穿戴式電子設備的功耗
你製造的每一款穿戴裝置都面臨著同樣的問題：體積小巧，能量消耗卻很有限。在進行任何改進之前，你需要了解能量都消耗在哪裡了。主要的耗電部件是感測器、處理器、無線電模組和顯示器。每個部件都會消耗一些電量，它們共同決定了設備的續航時間。
穿戴式裝置的主要耗電點
感測器持續收集數據。處理器將這些數據轉化為有用的信息。無線電模組將結果傳送到手機或雲端。顯示幕向使用者顯示重要資訊。每個部件的耗電量各不相同，你需要了解這些數值。
組件類別 | 特定元件 | 電源消耗功率 |
|---|---|---|
感測器（心率採集） | 電子紋身感測器 | 3毫瓦 |
具有PPG感測器的可拉伸OLED陣列 | 16.5毫瓦 | |
壓縮感知光電容積脈搏波描記法積體電路 | 1.66毫瓦 | |
高取樣率系統 | 13.468毫瓦 | |
處理器（心率計算） | BioAIP處理器 | 46.8微瓦 |
三元神經網路處理器 | 746毫瓦 | |
低功耗統計快速傅立葉變換 | 2.4毫瓦 | |
無線（傳輸） | BLE無線感測器貼片 | 低於 3 毫瓦 |
DCT-IV壓縮演算法 | 低於 5 毫瓦 | |
動態回饋自適應調製 | 60毫瓦 | |
具有無線傳輸功能的心率監測系統 | 44.57毫瓦 | |
三線便攜式無線傳輸系統 |
傳輸距離令人驚嘆。微型神經網路處理器僅消耗 746 納瓦，而一套完整的無線傳輸系統卻消耗 72.6 毫瓦。這差別非常大。您選擇的元件會直接影響您的耗電量預算。
外形尺寸對電池壽命的影響
穿戴式裝置的尺寸限制了其電池容量。電池組越小，能儲存的能量就越少。智慧戒指的空間遠小於智慧手錶，因此其電池儲存的能量也更少。這種限制使得從一開始就必須考慮能源效率問題。
購買能耗更低的零件有助於延長電池壽命。電源管理方案變得至關重要。你不能只更換更大容量的電池，而必須降低能耗。
想想無線通訊。 BLE 快速模式的廣播電流約為0.48 mA，中速模式下約為 0.078 mA，而慢速模式下僅需 18 µA。你的微控制器在工作狀態下電流約為 4 mA，而 IMU 感測器的電流則低於 5 µA。這些數字顯示你的通信方案有多重要。
您的電源管理方案必須平衡所有這些因素。您需要決定哪些元件保持開啟狀態，哪些元件關閉。您需要選擇何時發送數據，何時將數據保存到本地。每一個選擇都會影響電池續航時間和使用者體驗。
低功耗優化硬體設計
選擇合適的組件首先要了解您的功耗預算。您需要能夠深度休眠的處理器，以及功耗極低的感測器，而不是功耗巨大的感測器。 Ambient Scientific 的GPX10 處理器採用特殊的類比記憶體運算設計，使穿戴式醫療設備能夠使用小型電池運行數月之久的 AI 程式。這是超低功耗晶片技術的一大進步。
您選擇的組件決定了您的電源方案。選擇具有多種低功耗模式的系統級晶片 (SoC)。大部分時間讓主處理器處於睡眠狀態。使用超低功耗的控制器持續收集數據。此控制器僅在需要時才喚醒主處理器。這種分離式設計可以節省大量能源。
仔細考慮螢幕的選擇。 AMOLED 螢幕可以逐一關閉像素，比 LCD 螢幕節能高達 40%。對於小型設備來說，這其中的差異至關重要。電池容量不變，所以節省的每一毫瓦電量都能延長電池續航力。
選擇節能部件
首先從處理器入手。選擇本身功耗低的晶片。 MSP430 系列仍然是處理簡單任務的理想選擇。對於更複雜的任務，則應選擇具有動態電壓頻率調節 (DVFS) 功能的處理器。 DVFS 會根據系統目前的需求調整電壓和頻率。在執行簡單任務時，系統運作速度會降低；當使用者需要快速回應時，處理器會加速運作。研究表明，在低功耗 VLSI 設計中，DVFS 可以節省27.74% 到 47.74% 的能耗。這個範圍代表了實際可測量的節能效果。
無線連接方式的選擇也很重要。低功耗藍牙 (BLE) 仍然是穿戴式裝置的標準配置，它能很好地處理低佔空比應用。對於極短距離，近場通訊 (NFC) 的功耗更低。 Wi-Fi 或蜂窩網路則更適合偶爾進行的高速資料傳輸。
電池技術不斷進步。矽碳複合陽極可在不增加設備體積的情況下，將能量密度提升約 25%。這意味著在相同空間內可以獲得更大的功率。能量採集技術則提供了另一種選擇。德州儀器 (TI) 的bq25570 積體電路可以從人體熱、運動或光線中收集微弱能量。它將 300-400 毫伏的輸入電壓提升至 3-5 伏特，從而為電池充電。雖然採集的能量本身無法驅動智慧手錶，但它有助於延長電池續航力。
PCB佈局和電源門控技術
電路板佈局直接影響電源管理。使用電源門控技術可以完全關閉未使用的模組，從而降低空閒部分的漏電流。動態電壓調節與電源門控技術搭配使用，共同構成一套完整的功耗降低方案。
設計PCB時，應採用多路電源軌。電源管理積體電路（PMIC）負責控制這些電源軌並分配電源。 PMIC負責充電並添加安全功能，也能為不同的元件提供不同的電壓。例如，感測器電源軌可能需要1.2V，而無線電模組電源軌則需要1.8V。
散熱管理也至關重要。更高的功耗會產生更多熱量。這些熱量可能會導致佩戴在頭部或手腕上的裝置出現不適甚至安全隱患。使用低熱阻的PCB板有助於更好地散熱。高效能元件則能從源頭減少熱點。
關閉SoC內部未使用的外圍時鐘。每個啟動的時鐘都會消耗電量。設定優化的資料幀格式以減少有效載荷大小。更小的有效載荷意味著更短的傳輸時間。更短的傳輸時間意味著更低的無線電功率。
將振動器、LED 和顯示器等患者通知組件連接到超低功耗控制器。這種設定可以讓主處理器保持休眠狀態。低功耗控制器負責處理簡單的任務，只有在需要進行複雜分析時才會喚醒主處理器。這種設計模式最大限度地延長了休眠時間，並減少了能源浪費。
您的電源管理方案必須考慮每一個環節。每一個選擇都會影響整個系統。良好的電源管理能夠延長電池續航力。精心設計能夠平衡性能與能源效率。最終打造出一款續航力一整天、令用戶滿意的設備。在穿戴式電子產品領域，每一個決策都至關重要。穿戴式電子產品需要採用全系統方法。能效優化始於組件層面。這種優化超越了單一部件的範疇。
電源管理軟體和通訊策略
硬體選擇奠定了基礎，而韌體則決定瞭如何有效利用這些硬體。智慧軟體無需更換任何零件即可顯著延長電池續航力。其核心在於了解設備何時必須保持活動狀態，何時可以安全進入睡眠狀態。
韌體優化和占空比
佔空比是電源管理套件中最強大的工具之一。它不是讓感測器一直運行，而是在空閒期間以較低的頻率脈衝式運行。例如，一個帶有加熱器的氣體感測器，持續消耗 34 mA 的電流。透過以 40% 的佔空比脈衝式運行該加熱器，可以將平均電流降低到 15.65 mA。功耗從 102 mW 降至 46.95 mW。感測器仍然保持足夠的溫度以快速響應，同時節省了一半以上的能源。
該過程遵循一個簡單的模式。首先，使用 2 kHz 的脈衝電流預熱感測器。佔空比高於 40% 並不會顯著縮短預熱時間。接下來，切換到空閒模式，並保持 40% 的脈衝電流以維持溫度。最後，當需要讀取資料時，施加全直流電流。儲存的熱量可使感測器快速達到工作溫度，從而最大限度地減少等待過程中的能量損耗。
事件驅動型韌體可以進一步節省功耗。用中斷驅動邏輯取代輪詢循環。將任務分組，使它們在一個喚醒週期內運作。關閉未使用的周邊和時鐘。使用直接記憶體存取 (DMA) 進行資料傳輸。每種方法都能減少活動時間，而活動時間會消耗電力。
嵌入式機器學習更進一步。深度強化學習能夠即時適應每個使用者的習慣。多智能體系統分別控制每個部分。遷移學習加快了新用戶的設定速度。這種方法可將電池續航時間延長 36%，並將用戶滿意度提高 25%。您的設備會學習您何時睡覺、何時運動以及何時查看通知，並調整操作以與之匹配。
利用低功耗無線協議
無線設備的選擇決定了整體的電源預算。低功耗藍牙 (BLE) 仍然是穿戴式裝置的標準配置，可提供3-5 年的電池續航力。低功耗廣域網路 (LPWAN) 協定的電池續航時間可達 10-15 年，但它更適合部署後無需維護的應用場景，而非互動式穿戴裝置。兩者之間的權衡體現在延遲和數據速率。 BLE 擅長處理頻繁的小規模傳輸。 LPWAN 的優點在於遠距離進行罕見的小規模更新。
將運算任務卸載到配套設備可降低系統功耗高達 20%。您的穿戴式裝置收集原始數據，將其發送到手機，然後接收處理後的結果。這樣就減輕了電池的負擔。您的電源管理方案應考慮這種混合方案。
通訊調度方面的設計選擇也至關重要。以穩定的時間間隔發送資料。壓縮有效載荷。僅在需要時喚醒無線電模組。這些看似微小的選擇，在設備的整個使用壽命期間，都能顯著節省能源。
穿戴式裝置性能與效率的平衡
設計穿戴式裝置時，你會面臨諸多選擇。每增加一項功能都會消耗電量，每增加一個感測器都會耗電。關鍵在於了解用戶真正需要什麼，以及何時需要這些功能。
管理使用者體驗中的權衡取捨
首先選擇微控制器。 ARM Cortex-M0+兼具高效能和低功耗。 M4 的 DSP 擴充功能可加速卡爾曼濾波等任務。快速喚醒時間和自運行週邊可使 MCU 保持休眠狀態，直到感測器閾值觸發動作。此電源計劃可大幅降低功耗。
電池技術帶來了另一種權衡。一次性電池能量密度更高，但設計難度更高。可充電電池則允許設計得更薄。客製化形狀的電池能最大程度地利用空間。由於您的設備尺寸較小，電池容量受到限制，因此您必須圍繞此限制進行規劃。
感測器整合也面臨類似的挑戰。基於CMOS的感測器功能豐富，但需要謹慎選擇。光學感測器需要透光材料。電源門控可以減少電池電量消耗，但會增加設計複雜性。最佳整合方案取決於使用者體驗、成本和應用場景。這項選擇將決定您的整體電源方案。
無線通訊是系統中耗電最多的設備。藍牙智慧仍然是主要的低功耗選項。您發送資料的頻率和數量會大大影響電池續航時間。高數據量會在幾小時內耗盡電池電量。謹慎使用可以將電池續航時間延長至數週甚至數月。您必須決定穿戴式裝置與手機同步的頻率。此同步計劃是電源管理方案的關鍵部分。
情境感知功能會在不需要時減少感知次數。例如，您的穿戴式裝置會在使用者休息時降低心率監測頻率，而運動時則提高監測頻率。這樣既能在安靜時段節省電量，又能確保在活躍使用時設備功能齊全。
情境感知功能可在安靜時段節省電量，同時在活躍使用時段保持全部功能。
成功平衡的真實世界案例
現代穿戴式裝置將工作分配給多個處理器。一個高效能的主MCU與專用感測器中心和始終開啟的協處理器配合使用。空閒時，主CPU進入深度睡眠狀態，耗電量極低。一個運行在微安級的微型感測器中心負責處理諸如計步之類的簡單任務。主處理器僅在處理圖形處理或呼叫等高負載任務時才會喚醒。
自適應記憶體壓縮技術展現出顯著成效。此方法在保持效能的同時，降低了實際的記憶體存取需求。研究表明，它可以節省 20-25% 的電力。節能型記憶體調度僅在預測的繁忙時段啟用額外的內存，從而將電池效率提升高達 30%。
選項 | 對權衡取捨的量化影響 |
|---|---|
自適應抽樣（NSF 研究） | 資料量最多可減少 69%，核心子系統功耗降低超過 57%。 |
邊緣人工智慧/TinyML（MDPI 研究） | 在減少原始資料發送量的同時，運動追蹤準確率超過 88%。 |
感測器融合與佔空比 | 節能約 35%，測量精度幾乎沒有損失。 |
優秀的消費級穿戴裝置都遵循一些共同的設計原則。它們能增添趣味性和興奮感，提升使用者體驗。它們能持久續航，減少充電頻率。它們提供讚美、獎勵和適時的提醒。它們允許用戶自訂介面和目標。它們注重易讀性，採用清晰的字體和良好的對比度。它們透過可靠的資料記錄和隱私保護來建立信任。
將高功耗任務轉移到其他設備可以節省電池電量。處理和顯示任務透過低功耗藍牙傳輸到已配對的智慧型手機。像 ARM Cortex-M0 或 TI MSP430 這樣的超低功耗微控制器 (MCU) 可以快速處理數據，並在空閒時進入低功耗睡眠模式。低功耗感測器訊號調理，例如 STMicro 的 OA4NP 運算放大器（每通道電流僅 580nA），可以降低週邊設備的功耗。這些選擇體現了穿戴式裝置中智慧的能源利用方式。
動態電壓和頻率調節有其限制。電壓調節器的效率曲線、開關開銷以及最低電壓等級都會造成「死區」。降低頻率並不總是意味著同等程度的節能。從深度睡眠中喚醒的延遲時間從微秒到毫秒不等。您必須在快速反應和節能之間做出選擇。
熱管理又增加了一層考量。高效能運作會產生熱量，從而觸發降頻。高溫會加速電池老化並降低有效容量。鋰離子電池的放電曲線並非線性。峰值電流限制會導致高性能脈衝期間電壓下降。您的電源預算必須考慮到這些因素。
低功耗優化需要全面考慮。你需要在用戶需求和能耗限制之間取得平衡。你需要選擇符合使用場景的元件。你需要採用能夠感知情境並適應實際行為的方法。這種方法可以打造出續航力全天且令用戶滿意的可穿戴設備。
低功耗設計領域的新興趨勢
低功耗優化技術不斷進步。新技術讓您突破舊有的限制。其中兩大趨勢特別突出：能量擷取和人工智慧驅動的電源管理。
能量收集與先進電池
能量採集技術可以從周圍環境中獲取能量。壓電材料可以將人體運動轉化為電能。皇家飛利浦公司將柔性壓電材料應用於服裝和配件。他們的產品可以從日常活動中產生5-10 毫瓦的能量。這種能量足以驅動感測器和無線通訊模組。
韓國科學技術院（KAIST）建構了一種混合結構，將柔性壓電聚合物與剛性陶瓷結合。這種多層設計增強了壓電效應。他們的原型產品僅利用收集到的能量即可不間斷地為感測器和小型電子設備供電。
光伏電池提供了另一種選擇。柔性矽和鈣鈦礦光伏電池可安裝在腕帶或紡織品中，為智慧手錶和脈搏血氧儀等設備供電。熱電發電機利用人體在37°C附近的熱能為智慧服裝供電。摩擦奈米發電機（TENG）利用接觸分離模式為穿戴式汗液感測器供電。壓電奈米發電機（PENG）則安裝在鞋墊或錶帶中。混合系統結合了多種能源，以提供更穩定的電源。
壓電能量採集市場尚處於起步階段。香港應用科技研究院、英特爾公司和亞德諾半導體公司等企業正積極推動創新。生物燃料電池提供了另一種選擇，它們可以從汗水中提取化學物質。這些電池可以製成可拉伸的電子皮膚或基於紡織品的可印刷電池。先進的電池也在不斷改進。柔性電池和超薄組件使得電池可以採用新的形狀並延長運行時間。能量採集技術可以增強電源，在不增加體積的情況下延長運作時間。
人工智慧驅動的電源管理
機器學習演算法現在可以預測使用者行為。您的穿戴式裝置會學習您的睡眠或運動時間，並在無需使用者介入的情況下自動調整運作模式，以達到最佳效率。這種人工智慧驅動的優化可以減少電力浪費。隨著時間的推移，演算法會逐漸適應您的習慣，學習何時檢查感測器以及何時保持空閒狀態。
邊緣運算讓處理過程在本地完成。到 2025 年，產品將不再局限於健康追踪，而是成為物聯網的關鍵組成部分。它們可以與智慧家庭系統、擴增實境平台和車輛連接。人工智慧/機器學習技術直接在硬體上運行，用於識別、分類和預測任務。這一切的實現無需消耗大量電力或承擔高昂的資料傳輸成本。您的裝置在邊緣端處理這些任務，無需依賴雲端伺服器進行任何決策。
這種方法減少了向雲端發送資料的需要。您的裝置可以節省無線傳輸資源。其結果是電池續航力更長，電源管理也更聰明。這些趨勢預示著未來產品將不再那麼依賴大型電池組。您的任務是巧妙地將這些技術結合起來。
低功耗最佳化並非犧牲效能，而是在整個設計過程中做出智慧且符合情境的決策。您的工具包涵蓋硬體、軟體和通訊策略。您必須始終考慮從感測器到雲端的整個系統。每個組件的選擇都會影響電池續航力，每個韌體決策都會影響整體效率。在開發過程中採用整體方法。能量採集和自適應演算法等新興趨勢有望帶來更大的節能效果。這些設備可以在不犧牲性能的前提下運行更長時間。持續學習和嘗試新想法。您的下一代穿戴式裝置將真正有效地平衡性能和功耗。立即開始優化吧！
常見問題
典型的穿戴式裝置組件消耗多少電力？
不同組件的功耗差異很大。微型神經網路處理器僅消耗 746 nW，而一套完整的無線傳輸系統則可能消耗 72.6 mW。您的選擇直接影響您的功耗預算，因此在確定設計方案之前，請仔細評估每個組件。
什麼是佔空比？它為什麼重要？
佔空比循環技術透過脈衝式開關感測器來控制其運行，而不是使其持續運行。例如，一個持續消耗 34 mA 電流的氣體感測器加熱器，在 40% 的佔空比下，平均電流降至 15.65 mA。這項技術能夠顯著降低能耗，同時確保感測器在需要時保持響應。
我的穿戴式裝置應該選擇哪種無線協定？
低功耗藍牙 (Bluetooth Low Energy) 仍然是大多數穿戴式裝置的標準選擇，電池續航力可達 3-5 年。低功耗廣域網路 (LPWAN) 協定的電池續航時間可達 10-15 年，但更適合部署後無需維護的應用。在選擇時，請考慮您的資料傳輸頻率和延遲需求。
如何平衡效能和電池續航力？
首先，利用情境感知技術。休息時降低心率監測頻率，運動時提高頻率。使用低功耗控制器處理簡單任務，僅在需要進行複雜分析時才喚醒主處理器。這種方法在用戶空閒時節省能源，同時在用戶需要時保持全部功能。
