元器件在可穿戴產品中運用的流行趨勢

王瑩 毛爍

摘要：可穿戴市場2022年將達到到2億出貨量，中國預計8300萬臺。更小的尺寸/更輕的重量、超低功耗、集成更多功能、易于集成成為趨勢，這需要低功耗處理、小型傳感器、無線藍牙、無線充電、高效電源等方案。

關鍵詞：可穿戴；集成；多樣化；低功耗

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.002

市場總體狀況

IDC中國研究經理潘雪菲表示：可穿戴市場從2017年的1.1億出貨量，到2022年將達到到2億出貨量。中國可穿戴設備市場2017年為5千萬出貨量，2022年預計達到8300萬臺出貨量。中國市場主要以手環手表為主，手環2017年為2500萬個，手表2300萬個。

IDC預測，可穿戴市場從2017年的1.1億出貨量，到2022年將達到到2億出貨量。中國可穿戴設備市場2017年為5千萬出貨量，2022年預計達到8300萬臺出貨量。中國市場主要以手環手表為主，手環2017年為2500萬個，手表2300萬個。

ADI：可穿戴設備在醫療行業的實際應用日益廣泛

現今可穿戴設備在醫療行業的實際應用面擴大，在體征信號監測方面的產品和方案引領趨勢，解決用戶最核心的問題，并獲得十分可觀的市場回報，其中包括專業的監護類產品（多用于醫院內）和可穿戴產品（個人消費品或個人健康產品）。具體來說，ADI在光電技術、生理阻抗測量、生理電勢采集、溫度、運動狀態監測以及環境相關（如氣體，C02以及紫外線監測等）等領域都有持續投資以及產品方案在市場上的極大認可。

在光電法測量生理體征信號方面，ADI的ADPD系列傳感器及信號處理方案，正在被很多大的品牌客戶設計使用。專門應用于光電法的各類生理體征信號的監測的具有獨特優勢的產品ADPD系列產品，例如ADPD142，APD153，ADPD144以及ADPD174等是目前市面上集成度高、體積小、功耗低、性能好，是一款非常成熟的解決方案。可用于診斷級產品也可適用于消費級的產品相關體征信號的采集，例如心率，血氧含量等。ADPD174GGI，可以大大簡化系統級光學結構設計的挑戰，解決內部環境光干擾問題等，進而保證最終產品的一致性和生產環節的成本和效率，目前此模塊產品已被全球知名的可穿戴廠商采納，并已經大量出貨。

除此以外，ADI公司剛剛量產了最新一代光電測量模塊產品ADPD188，使得該類應用在功耗、性能、設計簡易度、簡化客戶的產線流程以及成本等方面又獲得了優化和突破進展。

ADI的系列低功耗、單導聯、心率監護儀模擬前端以及最新的，專為滿足新興的健身設備、便攜式/佩戴式監控設備和遠程健康監護設備的ECG信號調理要求而設計。與當前很多集成解決方案中采用的拓撲結構不同，高度靈活的模擬濾波配置采用雙極高通濾波器，結合芯片內部的儀表放大器架構和無使用約束運算（增益）放大器，支持用戶采用多極低通濾波技術來消除線路噪聲和其他干擾，并可提供在關斷（shutdown）模式下的導聯脫落監測功能。它為系統設計人員提供了靈活性，將健身和醫療監護的價值和性能提升到一個新的水平。

在醫院用及家用便攜式醫療電子電子領域，ADI擁有一系列創新產品和解決方案，支持多種便攜式醫療保健領域的高精度、低功耗片上計量儀ADuCM350已在國內和國外的幾家有代表性的大客戶中都取得里程碑式的進展：

儒卓力：傳感器功能快速擴展新型可穿戴設備面世

在多種傳感器和其他無線技術的推動之下，用于監控健康和健身的可穿戴設備成為了一個高增長市場。如今，這些高度微型化的設備可能包括陀螺儀、加速計、溫度和壓力傳感器、GPS模塊甚至麥克風，并且通過藍牙、WiFi、ANT或結合多種無線技術進行連接。這些產品能夠追蹤方向并進行空間定位，對于訓練中的運動員和醫療保健領域的24小時生命體征監控具有重大價值。它們積累的數據通常需要無線傳輸，而傳統天線需占用較大空間，這一直是一個設計上的挑戰。

芯片天線的面世徹底改變了小型化的無線設計，并大大減少了天線在PCB上和設備外殼內占用的空間。雖然這些芯片天線通常依賴于地平面以實現有效輻射，但它們不再需要在PCB上隔離以避免干擾，工程師將其稱為“禁止（keepout）”區域。這允許智能手表包含一個或兩個天線，可能長度約為2毫米，而智能手機則可能有四個或更多天線。

儒卓力產品組合中的AVX 2.4 GHz陶瓷芯片天線支持Wi-Fi、ANT、ZigBee和藍牙，匹配代碼1001312，小巧的尺寸為2.O mm x l.2mm x O.55mm。

隨著市場上可用的微機電系統（MEMS）傳感器的數量迅速增加，可穿戴設備的功能范圍日益擴大。例如，儒卓力產品組合包括Bosch Sensortec BME680，這是第一款可以精確地線性檢測氣體、氣壓、濕度和溫度的集成式MEMS傳感器。BME680具有節省空間的設計和低功耗，尺寸僅為3.O mm x3.mm x0.95 mm，是專為可穿戴設備和移動應用而開發的集成環境傳感器。 儒卓力提供多種適用于可穿戴應用的傳感器產品，包括威世的VCNL4020C高分辨率數字生物傳感器和環境光傳感器。該器件是完全集成的，封裝中包含了紅外發射器，它具有16位分辨率，環境光光譜靈敏度接近人眼。

各種可穿戴設備領域經歷了快速的增長，不僅需要超小的器件尺寸，還要極低的功耗以實現最長的電池壽命，并支持高耐久性寫入循環以實現實時數據記錄。FRAM提供卓越性能以滿足這些嚴格要求。

村田：如今的可穿戴市場，智能手表有獨特優勢

可穿戴設備概念形成至今40多年，真正在消費市場走紅卻只是最近幾年的事情。然而這市場崛起的幾年對可穿戴產品的概念，形式以及功能需求的影響卻大大的超過了過去幾十年的發展。

幾年前只要有個g sensor能實現計步，就可以圍繞其做成一個產品。而那時也是此類智能手環井噴的時代。而消費者的需求是會不斷的增長的，所以更多的功能，更準確的數據，以及更便捷的使用等等，都變成了產品提供商要面對的問題。

對于專攻運動市場來說，其專業性，裝飾性以及豐富的功能集成對消費者來說依1日保持著強大的吸引力。

村田作為被動元器件以及傳感器的知名提供商，在可穿戴領域一直進行著投資與開發。針對運動手表應用，村田開發出了集小型化，低功耗，高信噪比以及器件防水于一體的防水型氣壓計ZPA3456-0311A-R，其可實現l/64Pa的高分辨率并可實現最低1.4 μ A的工作電流，同時具備器件防水功能，可用于運動手表的氣壓檢測，并支持水下10M的防水等級。ROHM的電源、傳感器、無線供電產品

近年來，智能手機等移動設備、可穿戴式設備及IoT設備等用電池驅動的電子設備迅速普及。而且，為了提高產品的設計靈活度并確保配置新功能所用的空間，要求這些產品上搭載的元器件的功耗要降低到極限，以實現小型化并延長電池使用壽命。

一直以來，ROHM運用模擬設計技術和電源系統的工藝技術優勢，并發揮垂直統合型生產體制的優勢，致力于開發滿足市場需求的電源IC。此次再次發揮這些優勢，開發出搭載超低消耗電流技術“Nano Energy”的電源IC。

隨著人們健康意識的提高，為實現看護和工作人員的健康管理，對于可穿戴式設備，不再僅要求脈率測量，還希望測量包括壓力、血管年齡在內的各種生命體征的需求日益高漲。而要測量復雜的生命體征，需要提高采樣頻率，增加單位時間的測量次數，但存在功耗增加、應用的驅動時間縮短的問題。

ROHM利用獨有的紅外線去除技術和多年來積累的光傳感器領域的技術經驗，開發出在變動劇烈和太陽光等紅外線較強的環境下也可高精度測量的低功耗脈搏傳感器。此次，ROHM對這些技術進一步優化，開發出滿足時代需求的高速采樣的脈搏傳感器。

戴在耳朵上的“智能耳戴式設備”作為新一代可穿戴式設備而備受矚目。然而，由于智能耳戴式設備的超小型體積，使得MicroUSB連接器等供電用端子成為小型化與進一步節省空間的大問題。在這種背景下，無線供電可以無需端子，這將非常有利于設備的小型化。另外，沒有端子還可提高防水性、防塵性等安全性能，對于超小型設備來說是非常有效的供電系統。

一直以來，ROHM集團面向智能手機和平板電腦等終端，不斷地開發并供應滿足無線供電標準（WPC Qi等）的產品。藍碧石半導體作為NFCForum的主要成員--ROHM集團的旗下公司，一直與ROHM-同積極參與適用于需要超小型無線供電系統的可穿戴式設備的13.56MHz無線供電標準的制定。

超低功耗FPGA在可穿戴產品的應用

實時在線的環境感知是許多可穿戴產品希望實現的功能。為了實現實時在線且準確的傳感，通常采用兩級處理的方式來最小化功耗。第一級通常是超低功耗實時在線的推理引擎，用于執行音頻、視頻或IMU檢測，而第二級，更耗電的應用處理器保持在睡眠模式。當檢測到預設的觸發情況（例如關鍵短語、有人出現或特定手勢）時，推理引擎喚醒應用處理器。FPGA的并行處理能力和功耗被認為非常適合低延遲和實時在線模式的推理功能。除了適用于各種互連應用，iCE40 UltraPlus還具有ImW的超低功耗和WLCSP封裝，使其成為實時在線可穿戴應用的理想選擇。

使用UltraPlus的設計復雜性在于需要用硬件描述語言實現推理和處理算法。隨著今年早些時候sensAI的推出，實現FPGA中的低功耗和低成本推理變得前所未有的簡單。利用機器學習生態系統和設計流程

（如Caffe和TensorFlow），萊迪思現在提供基于iCE40UltraPlus和ECP5 FPGA系歹U的全新開發生態系統，幫助開發人員快速構建Al網絡邊緣解決方案。萊迪思sensAI還提供各種參考設計和演示用于概念驗證。UltraPlus相關演示包括關鍵詞檢測、人臉檢測和人員檢測，這些都是許多可穿戴應用中廣受歡迎的功能。更重要的是，萊迪思的sensAI使開發人員能夠在低成本、低功耗、小尺寸的UltraPlus中快速創建并實現自己的實時在線處理應用。

可穿戴醫療需要緊湊、無線連接和無線充電方案

目前可穿戴種類繁多，能夠給大眾帶來實質性的便利和意義的產品都是有市場需求，其商業市場肯定有一定的生存空間，隨著人們經濟基礎和教育水平的提升，人們對帶有身體健康指標的可穿戴產品日益需求旺盛，通過日常身體參數的采集，進行大數據分析從而給出建設性意見，也從而循序漸進改善的健身，睡眠，飲食等各個關系到身體健康因素。

針對日常生活中需要用到的可穿戴產品的特點就是需要“可穿戴”體積要小；“日常生活中”要求實用，功耗要低，同時帶有無線聯接等這類特點。安森美半導體在醫療行業積累了30多年的經驗，把以前專業的醫療繼續衍生到目前可穿戴醫療行業，這種革新讓這種可穿戴醫療產品更具備專業性，專業的“Struix”技術可以讓產品方案的體積更緊湊、功能多樣化。同時利用多年的技術經驗和工藝，設計出領先的超低功耗藍牙SoC方案RSL10，從而解決市場功耗的瓶頸。此外安森美半導體根據可穿戴產品的特點，設計出專門針對可穿戴產品的充電方案HPM10，從另外一個層面解決了低功耗的需求。

超低功耗藍牙產品正被廣泛采用

今年以來我們高興地看到又一批基于Dialog超低功耗藍牙平臺的可穿戴產品陸續面市，不僅有新一代靚麗的小米手環3，青春米動手環手表的發布，手環手表這些產品是可穿戴設備市場的經典傳統產品。同時我們還欣喜的看到Dialog低功耗藍牙芯片被采用到新的可穿戴產品上，比如西門子空氣質量檢測儀，小巧精準，可以方便放入口袋；小米公司聯合Oculus推出VR手柄：以及小米生態鏈公司發布的幾款智能牙刷等等。近期最火最吸引眼球的莫過于獵豹公司發布的“小豹翻譯棒”，該產品與同類產品相比，外觀更加小巧精致，待機時間更長，這些新的產品形態就是可穿戴產品新的市場拓展和新的應用，所以我們認為可穿戴設備市場未來會在為人們健康、出行、娛樂休閑等方面提供更加多樣化的產品。

承載這些可穿戴產品更加多樣化和優異產品性能最重要的就是低功耗藍牙SoC的選擇，上面提到的這些產品對尺寸和待機時間都有苛刻的要求。Dialog作為低功耗藍牙技術的杰出供應商，為可穿戴市場提供了非常優秀的芯片選擇。Dialog用于可穿戴市場的低功耗藍牙SoC DA1468x系列不僅具有超低功耗的性能，同時還具有非常高的集成度：片內集成高效率的電源管理單元，能在待機的情況下為外部傳感器提供電源輸出，同時片內還集成了充電管理、電量監測以及豐富的外設接口，這些都極大地方便客戶進行產品設計，減小了PCB尺寸并節約了成本。不僅如此，Dialog還在系統解決方案上著力，我們在今年藍牙亞洲大會（ Bluetooth Asia）會議期間發布了基于Dialog低功耗藍牙SoC的傳感器融合算法SmartFusion，為客戶快速推出產品助一臂之力。

小尺寸、超低功耗、高集成度，這些特性即將在Dialog為可穿戴市場推出的新一代超低功耗藍牙平臺上得到更新的詮釋！我們拭目以待。

可穿戴的連接器趨于微型化

運動攝像機可以歸類為可穿戴設備，因為這類產品可以安裝到頭盔上，或者佩戴在手腕上或者衣服的物件上，同時捕捉到壯觀的運動視頻，在滑雪時。這一相對較新的市場正在經歷著顯著的增長，增長的推動力有可能來自于社交網絡站點的普及，在這些站點上，可以與朋友們一起分享運動攝像機所錄制下來的視頻和靜態影像。然而，這不僅僅是一個消費市場。專業的電影和電視制作也在越來越多的使用運動攝像機，此外還有安防和監控領域。

運動攝像機的設計一直在不斷的演進。盡管攝像機一般以16：9的長寬比來錄制影像，有幾個支持360度視頻拍攝的運動攝像機現已進入市場。由于這類攝像機采用了多個鏡頭，所得的視頻就必須在軟件中“拼接”到一起，而且有些型號現在能夠在攝像機內完成這一工作。并且，運動攝像機的視頻分辨率一直在穩步提升。市場上當前至少有一種型號的運動相機拍攝的視頻分辨率可達5.2K。

運動攝像機內部電子元件的復雜性日益提高，需要向微型化的方向發展。Molex設計出了Pico-EZmate超薄1.2毫米間距線對板連接系統，可在緊湊的外形內提供穩固的連接效果，同時提高了可靠性和裝配速度。

CEVA：可穿戴設備的語音控制與遠程連接

在最初的浩大聲勢過后，可穿戴設備的市場正在走向成熟，某些可穿戴設備領域顯示出令人向往的愿景。通過健身腕帶或具有先進生物識別功能的智能手表進行健康追蹤的市場正在騰飛。此外，新的低功耗蜂窩標準可將這些設備連接到無線網絡，而且不會像3G或LTE技術般，在幾小時內耗盡電池壽命。另外，全新蜂窩技術將使兒童和老年人的個人安全可穿戴設備能夠在任何可接通無線網絡的地方進行連網，并使設備能夠在充電后運行長達一年時間。

CEVA提供了許多適用于可穿戴設備的技術，以短距離連接為例，且開發了藍牙和Wi-Fi技術，這些技術廣泛應用于目前的各種可穿戴設備，許多客戶和OEM廠商均同時使用低功耗藍牙和雙模藍牙。

對于遠程連接，CEVA公司針對全新低功耗、低數據速率蜂窩標準NB-IoT開發了全面的解決方案，可以部署在包括可穿戴設備的任何IoT設備中，將這些設備連接到蜂窩網絡。CEVA公司的Dragonfly NB2平臺為希望將NB-IoT集成到芯片設計中的客戶提供了結合基帶、RF和協議棧的完整解決方案。

對于通過蜂窩網絡傳輸音頻和多媒體流的可穿戴設備，新的Cat-Ml標準專門為此設計。已經有許多用戶利用CEVA DSP來開發部署采用這項標準的芯片產品。

可穿戴設備的另一個趨勢是添加語音作為接口，使得用戶在不必觸摸可穿戴設備的情況下控制設備功能，只需連接到Alexa或者其他語音助手。對于這些應用，CEVA公司提供極低功耗TL410 DSP，它始終處于開啟狀態，可以監聽喚醒設備的命令。CEVA還提供專門的CEVA-X2音頻/語音DSP，它帶有拾取語音和消除背景噪音功能，并確保可理解的清晰語音質量，用于運行需要這些特性的語音前端軟件。

TDK新技術輔助可穿戴產品

物聯網的預期發展，以及海量無線連接的設備和傳感器的面市，都預示著可穿戴設備市場將呈現爆發式的增長。短距離無線電傳輸技術的應用將大幅拓展，特別是低能耗的藍牙（BLE）和WiFi技術。可穿戴應用的典型應用是智能手表，音頻耳機和耳塞，活動、運動、健身和健康跟蹤器，定位設備，醫療保健監測設備，增強現實應用，虛擬現實應用等，當然以上只是少數代表性的示例，實際遠不止于此。

TDK公司可為這些應用提供各種解決方案和技術，特別是創新型傳感器解決方案、能源裝置和下一代電子元件，包括針對未來小型化和性能需求的先進智能封裝技術。TDK公司擁有豐富的傳感器產品組合，包括先進的MEMS運動傳感器和麥克風，可覆蓋從通用運動型傳感應用到增強現實和虛擬現實應用等。

此外，公司還提供

InvenSense定位庫（IPL）軟件，可輔助僅依賴全球衛星導航系統（GNSS）無法準確定位的傳感器準確定位。IPL結合了傳感器輔助定位算法，可通過慣性傳感器改善衛星信號容易被多徑阻擋或扭曲的城區中的GNSS定位。如此一來，工作人員即便在“都市峽谷”里面行走也能實時獲得精確定位。即使用于挑戰性的工作環境，IPL也能連續、準確地提供位置、速度和方向等信息。同時氣壓計的配合能檢測出任何你所在的樓層和高度。另外TDK公司提供了整體解決方案，除了硬件，TDK公司還有一些基礎算法，比如自動識別走路，跑步，騎車的算法。客戶可以用TDK公司的整體解決方案快速高效的制造出產品推向市場。

能源設備包括鋰離子電池、DC-DC轉換器、無線電力傳輸，以及CeraChargeTM。后者是新推出的全球首款可充電、SMD兼容的固態陶瓷鋰離子電池，適合回流焊接工藝。相比于同尺寸的電容器，CeraCharge不僅能量容量是前者的1 000倍，且結合了鋰離子電池的優勢以及陶瓷多層元件的安全性和制造優勢，不會出現泄漏、燃燒或爆炸現象。

CeraCharge可提供1812 [EIA]封裝尺寸（4.5 x 3.2 x l.lmm），目前標稱電壓為1.4V，額定容量為100μAh，工作溫度為-20至+80℃。CeraChargeTM的推薦應用領域包括可穿戴設備的平滑電壓和電流的子電池，用作實時時鐘的備用電池或低功率應用能量存儲方案。

TDK公司的下一代電子元件中有一項適合可穿戴設備的有趣技術

TDK的SESUB（半導體嵌入式基板）。SESUB是TDK公司的集成電路（IC）封裝和系統級封裝（SiP）技術之一。通過SESUB SiP技術，TDK公司能制作各種模塊，將IC嵌入基板中，而其余組件則安裝在基板頂部，從而可在不影響性能的前提下實現SESUB微型化的關鍵功能。與分布式解決方案相比，SESUB模塊能在印制電路板上節省大量的空間，因為IC和周圍的被動元件會在印制電路板上占據相同的空間尺寸。SESUB的其他主要功能還包括更好的散熱性能，更高的可靠性，以及更低的嵌入式IC芯片損耗和噪聲。此外，SESUB技術還可在基板中嵌入多個IC芯片。

TDK公司已開發出齊全的下一代電子元件產品組合，包括適用于可穿戴設備的觸覺反饋壓電執行器、柔性太陽能電池、用于能量收集的元件EDLC（雙電層電容器），以及用于醫療保健/可穿戴設備、全球導航衛星系統（GNSS）、藍牙和Wi-Fi芯片天線的RF和傳感器驅動電源。

TDK公司致力于持續創新，不斷使用非傳統材料制造出具有更高性能的小型化元件，以滿足未來不斷變化的需求，是滿足客戶可穿戴設備硬件需求的“一站式服務”供應商！

參考文獻：

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