拆解：Misfit Shine 2及其电源管理技术
发布时间：2016-6-6 10:36
发布者：designapp
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在圣克拉拉市举行的DesignCon 2016展会上，Misfit Shine 2运动+睡眠监测手环成为了我们的拆解对象，它体现了目前最新的低功耗技术、工艺和电源管理技术。 Misfit Shine 2相比第一代Shine更薄、更强大也更智能。与制造商的广告语一样，它的外观真的很漂亮。这款手环采用T6061 T6航空铝合金材料制造，含有玻璃纤维增强聚碳酸酯，并且设计师明智地选择了简约的审美观念，除了电容触摸界面(UI)外，表面还有12个LED提供视觉反馈。轻拍手环表面，这些LED可以指示你日常的目标进度，然后显示时间。当然你也可以选择先显示时间再显示进度。  照片由CNET提供。 Shine 2手环厚8mm，直径30.5mm，重8.5g(含电池)。它的防水等级可达50米，使用一个3轴加速度计和一个磁强计检测运动。 手环的振动告警功能可以提供状态反馈和提醒/告警。对于配对的苹果手机(iOS7或以上)或安卓手机(果冻豆)来说，不论是放在手提包内还是处于静音模式，这个功能对接电话和短信都是有用的。音频反馈来自非常悦耳的告警音。 与手机的连接是通过蓝牙4.1无线电实现的，运动检测则是由一个3轴加速度计和一个磁强计共同完成。另外，通过下载Misfit Link应用，你可以使用IFTTT流程联网控制你的移动设备播放音乐、自拍，或轻击Shine手环控制大量家庭联网服务中的某个服务。这些服务被称为IFTTT“频道”，比如WeMo开关 、Nest恒温器甚至是推特简讯。 除了好看和容易使用外，Shine 2之所以引人注目，还因为这家公司通过选用可以持续工作六个月的钮扣电池解决了经常遇到的电池问题。用户再也不必频繁地充电，也无需在离家之前等着充满。由于用过早先的Fitbit一段时间，我觉得频繁充电绝对是个缺点。 事实表明，这款手环的低功耗特性是Fossil Group公司在去年11月宣布收购Misfit的许多理由中的第一条。不过Shine 2圆滑漂亮的设计几乎被很差的机械结构设计给毁了，这个结构是要将手环固定在表带内。第一个手环就是有次在黑乎乎的剧院里因为蹭到夹克袖口而被刮飞了。具有讽刺意味的是，Shine 2应该是想用安全夹来解决这个臭名昭著的“飞行Shine”问题(图1)。实际上安全夹不起作用，但现在已经没有什么意义了，因为Misfit已经在推出Ray时解决了这个问题——Ray是该公司前不久在拉斯维加斯消费电子会议(CES)上发布的一款健康监测器的全新设计。  图1：这款手环的漂亮设计以及一块CR2032 3V钮扣电池能够连续工作6个月的特性，使得Misfit Shine 2在DesignCon上成为了EDN的拆解目标。 虽然接触Shine 2的时间不长，但我发现它计时相当精确，佩戴舒适，而且容易上手。再加上优秀的软件和IFTTT的支持，我甚至都未注意到短信和电话进来时的手腕振动提醒。 不管怎样，让我们到手环内部去看看这么漂亮的设计、低功耗特性和强大功能到底是怎么实现的——以及在从最初版的Shine到Shine 2发展过程中谁是赢家谁又是输家。  图2：Misfit非常友好地提供了结构分解图。当后电池盖板转到闭锁位置时，它能在橡胶环周围形成紧致的密封圈，从而使设备支持50米的防水深度。 虽然Shine 2相当漂亮，但奇怪的是小册子中信息相当少。我只得求助YouTube去搞清如何打开后面的电池盖。实际上一旦你知道后就很简单。事实上，如何将固定PCB板的中央黑环取下来才是难点。它用4颗直径只有1.5mm的微型六角螺钉紧紧地固定在前表盘上。我的工具箱里没有能用得上的。Misfit不太想让这个手环被打开。 因此，星期六整个下午都用来寻找手表修理专家了。在第四次尝试时终于被我找到了。他也没有合适的工具，但和我一样固执(这关乎自尊，该死的！)，然后他用抽屉里极小的几乎看不见的工具中最相近的工具成功进行了“破 解”。看一位艺术家工作总是一件有趣的事，我当时应该拍张照片来的。  图3：最困难的部分是将几颗特别小的螺钉取出来，不过一旦打开后，Shine 2幕后的策划者——Ambiq Micro和Dialog Semiconductor就清晰呈现在我们面前。 将电路板放在显微镜下，低功耗是怎么实现的很快就一清二楚了。蓝牙4.1接口来自Dialog Semiconductor公司的SmartBondTM DA14581——DA14580 SoC的优化版本。 DA14581开发时是将A4WP无线充电和主控制器接口(HCI)应用考虑在内的。然而，Shine 2并不使用可充电电池，因此A4WP功能是多余的。  图4：Dialog Semiconductor公司的DA14581是Shine 2的蓝牙4.1连接核心。当全部功能打开时它的峰值电流也只有4.9mA，在扩展睡眠模式下耗电不到2 μA。 鉴于对在如此尺寸和功耗受制约的应用中还有多余的功能感到奇怪，我问Dialog Semiconductor公司首席现场应用工程师Tushar Rath，Misfit为什么会选择DA14581而不是选择仅提供低功耗蓝牙的基本产品。他回答说：“这是因为DA14581仍然能提供最低的功耗——在收发时的峰值电流为4.9mA，扩展睡眠模式下的电流不到2 μA——进而能实现最长的电池寿命。” 他补充道，DA14581还胜在尺寸和集成度方面——只有6个外部元器件，并且集成了平衡不平衡转换和电源管理功能。此外，DA1458x系列产品是为多种应用设计的，包括Shine 2内部这种只有无线电功能的应用。低功耗蓝牙堆栈位于芯片的ROM中。“支持A4WP只是意味着，工作在中心模式时，我们实现A4WP要求可以有更快启动时间和更多并发连接。”Rath指出。实现A4WP无线充电解决方案还需要其它元器件：在Shine 2中，A4WP功能处于休眠状态。 Dialog公司已经有一系列衍生芯片，并将有更多“令人兴奋的新产品”陆续推出，Rath透露。 Apollo和电源管理技术 与DA14581一样让人感兴趣的是Ambiq Micro Apollo MCU，它是负责整体处理和电源管理的大脑和心脏。这么说吧，在与Ambiq公司营销总监Keith Odland的交流中我们才知道，Shine 2中的Apollo实现已经成为智能电源管理领域中的一个案例研究。  图5：作为EEMBC ULPBench基准的赢家，带512KB闪存的Apollo MCU是针对低功耗全新设计的产品，采用了Ambiq公司的亚阈值工艺技术。 让我们从Apollo MCU自身讲起吧。它包含一个带浮点单元的ARM Cortex M4F 32位内核、一个唤醒中断控制器，最高工作频率是24MHz。周围是512KB的闪存、传感器外设、电压监视功能、串行通信(GPIO、UART、I2C、SPI主/从)和精度为±2℃的片上温度传感器。 在所有功能都运转的情况下，Apollo在从闪存执行指令时的功耗也只有34μA/MHz，睡眠模式下消耗的电流为140nA。 我知道它的低功耗性能使得Apollo MCU在“私底下的”ULPBench测试中大放异彩——击败了所有其它竞争对手，包括意法半导体和TI，性能甚至超过了竞争对手的2倍。 Apollo使用了Ambiq公司专有的亚阈值功耗优化技术(SPOT)——使用这种技术的晶体管不是完全“导通的”，工作点位于偏置曲线上，从而可以实现最低的功耗。 虽然这种技术推出已经有许多年了，但维持这个工作点所要求的代工厂工艺温度稳定性直到最近才适合大批量生产。Ambiq与台积电通过通力合作终于在Apollo中实现了这个目的。虽然工艺是关键，Ambiq还是增加了自己的温度和电压监视器以及其它私有技术来确保稳定性。这种技术不是一夜就成功的，前前后后花了至少10年的时间。 不过，据Odland透露，这种技术现在不只用于MCU，还可用于无线电、模拟前端和传感器。这很关键，他表示，因为用户不再满足于每次仅15%的节能进步，“他们需要质的飞跃，以便性能达到一个全新的水平。”  图6：Ambiq的亚阈值功耗优化技术使晶体管工作在沿“关断”与饱和之间曲线的下方区域，确保功耗最小。 借助SPOT技术，Ambiq相信公司在MCU之外也能取得显著进步。“我们有微控制器产品和其它器件，我们在其它系列中还将有其它产品。但这是一种技术平台，而不只是一种微控制器平台。” 从最初版Shine中踢走了谁？ 为了充分了解帮助Shine 2在24/7的监视工作状态下仍然获得6个月工作时间的电源管理技术，同时与最初版Shine相比增加了更多功能，让我们先来看看谁不再留在Shine设计中。  图7：最初版Shine中能看到TI的CC2501蓝牙IC和Silicon Labs的EFM32“Gecko”MCU，但新增功能要求重新考虑功耗预算分配，因此给Ambiq和Dialog Semiconductor的进入打开了大门。 最初版Shine采用了Silicon Labs的EFM32 “Gecko” MCU和TI的CC2501 “SimpleLink” 2.45GHz Bluetooth Smart IC，后者还包含一种私有的无线链路。然而对Shine 2来说，Misfit想要增加许多其它功能，其中包括： ● 一个3轴陀螺仪(最初版Shine只有一个3轴加速度计) ● 用于触觉反馈的振动电机 ● 电容触摸控制 ● 多种颜色LED+驱动器IC 当然，Misfit想在增加所有这些功能的同时保持相同的功耗预算——一颗 CR2032钮扣电池可用6个月——以及相同的外形尺寸。 这给Ambiq提供了极好的机会——当时Ambiq已经在与Dialog Semiconductor公司合作，优化Apollo评估板和Apollo评估套件中的蓝牙堆栈和两款芯片之间的其它交互。 在搞定交互功能后，Ambiq开始与Misfit合作，确保整个系统工作在最佳状态。在相同的外形尺寸条件下要用更低的功耗去做更多的工作，对Ambiq来说这也是典型的用户参与渠道，Odland表示。解决方案是检查整体功耗预算，检查新的Ambiq MCU的功耗，然后将剩下的份额分配给其它功能。 然而，功耗的分配也意味着确保板子上的每个器件都要工作在最优状态，Odland指出，因为功率仍然非常有限。因此需要明白在手环没有运动时哪个传感器轴需要“打开”，哪些轴需要“关闭”，而且要周期性地采样而不是连续采样。当然，当手环运动时传感器和MCU必须尽快苏醒。其它技术包括利用MCU的FIFO缓冲器，即通过等待直到传感器填满它才唤醒它处理数据。 复杂简单化 Misfit Shine 2的优雅掩盖了背后技术的复杂性，甚至经常让人想当然地认为很简单。然而，整体设计的成功不仅取决于技术，同样取决于Misfit和其供应商之间的合作伙伴关系，这是一种复杂的交织的关系，他们必须压榨出每个和每种设计的每份功耗，对可穿戴设备来说更是如此。 |
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