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可穿戴低功耗設(shè)計(jì)：PCB 布局如何影響能效優(yōu)化
可穿戴設(shè)備的重要痛點(diǎn)始終是續(xù)航，多數(shù)設(shè)備電池容量只100-300mAh，卻要支撐心率監(jiān)測(cè)、藍(lán)牙通信、屏幕顯示等功能，續(xù)航目標(biāo)至少7天。很多人以為低功耗全靠芯片，卻忽略了PCB布局的影響：不合理的布局會(huì)讓線路損耗增加20%、元件干擾導(dǎo)致功耗翻倍，而優(yōu)化布局能在不換芯片的情況下，讓設(shè)備續(xù)航多撐2-3天。對(duì)行業(yè)人員來(lái)說(shuō)，掌握線路、元件、散熱 三大布局技巧，是可穿戴設(shè)備能效優(yōu)化的關(guān)鍵。
可穿戴設(shè)備的供電線路像電流的公路，路越遠(yuǎn)、越窄，電流損耗越多；比如 0.2mm 線寬的供電線路，長(zhǎng)度從 20mm 增至 50mm，電阻會(huì)從 0.5Ω 升到 1.2Ω，每天多損耗 5mAh 電量，對(duì) 200mAh 電池來(lái)說(shuō)，就是 2.5% 的續(xù)航縮水。優(yōu)化技巧有兩個(gè)：一是 短路徑供電，把電源管理芯片放在所有耗電元件的幾何中心，比如手環(huán)PCB上，PMIC 居中，周圍環(huán)繞 MCU、心率傳感器、藍(lán)牙芯片，讓每個(gè)元件的供電線路長(zhǎng)度控制在 30mm 以內(nèi)。二是 關(guān)鍵線路加寬，給 MCU、藍(lán)牙芯片這些高耗電元件的供電線路加寬到 0.3mm，電阻能再降 0.3Ω，損耗又少 5%。要注意避開(kāi)繞彎陷阱：有的設(shè)計(jì)為了避讓元件，讓供電線路繞多個(gè)直角彎，其實(shí)直角處的線路等效長(zhǎng)度會(huì)增加，還容易產(chǎn)生信號(hào)反射，不如用 45° 角或圓弧布線，既縮短路徑，又減少損耗。
可穿戴設(shè)備的PCB面積通常只有 20-50mm2，元件擠在一起很容易互相干擾；尤其是高頻元件和模擬元件，干擾會(huì)讓模擬元件反復(fù)校準(zhǔn)，功耗飆升。重要布局原則是功能分區(qū) + 接地隔離：把PCB分成三個(gè)區(qū)域 ，高頻區(qū)、模擬區(qū)、數(shù)字區(qū)，每個(gè)區(qū)域之間用 1-2mm 寬的接地銅箔隔開(kāi)，像防火墻一樣阻擋干擾。還要注意 避免熱源干擾：充電芯片工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，如果離電池管理芯片太近，會(huì)讓電池管理芯片的檢測(cè)精度下降，導(dǎo)致充電時(shí)過(guò)度耗電，所以兩者至少要留 8mm 以上距離，還可以在中間鋪一層散熱銅箔。
可穿戴設(shè)備沒(méi)有風(fēng)扇、散熱片，PCB本身就是主要散熱載體，而元件溫度越高，功耗會(huì)越高，比如MCU在 25℃時(shí)功耗 10mA，溫度升到40℃，功耗會(huì)增加到12mA。PCB 布局的散熱技巧很簡(jiǎn)單：高功耗元件分散放，不要把MCU、充電芯片、屏幕驅(qū)動(dòng)芯片這些發(fā)熱件擠在一塊。另外，在高功耗元件下方的 PCB 內(nèi)層鋪散熱銅塊，再打2-3個(gè)接地過(guò)孔，把熱量導(dǎo)到內(nèi)層接地層，能再降3-5℃，功耗又省 2%。不過(guò)要注意，散熱銅塊不要和模擬元件的接地銅箔直接連，避免熱量傳導(dǎo)過(guò)去影響模擬元件精度。
現(xiàn)在可穿戴設(shè)備開(kāi)始用柔性 PCB，布局還要考慮 彎曲影響：彎曲處的線路不能太密，元件要避開(kāi)彎曲半徑小于 5mm 的區(qū)域，否則彎曲時(shí)線路電阻會(huì)變化，導(dǎo)致功耗波動(dòng)。未來(lái)隨著可穿戴設(shè)備加 GPS、血壓監(jiān)測(cè)等功能，PCB 布局會(huì)更精細(xì)，可能還要結(jié)合埋嵌元件減少干擾，進(jìn)一步優(yōu)化能效，對(duì) PCB 行業(yè)人員來(lái)說(shuō)，這既是挑戰(zhàn)，也是提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)會(huì)。
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