作者：Philip Ling
可穿戴裝置的設計要求在嵌入式系統中是獨特的。設計工程師無(wú)法自由地以尺寸換取重量，或是以性能換取功率。對于可穿戴裝置而言，越小不僅是越好，而且是必要的。
隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，出現了具有更低耗散功率且更小的集成裝置。這些都是擴展可穿戴技術(shù)潛在應用的重要貢獻者。工程師擁有更多的設計自由，可以使用功能更強大的集成裝置。
如今，大多數可穿戴產(chǎn)品都戴在手腕上。智能手表是多功能的，但追蹤活動(dòng)的健康手環(huán)也越來(lái)越受歡迎。健身和健康與醫療和保健密切相關(guān)，因此在這個(gè)情況下，戴在手腕上主要是為了方便。手腕是一個(gè)監測運動(dòng)和脈搏率的好位置。心臟的健康也可以使用心電圖方法來(lái)測量，而手腕是提供了一個(gè)接觸點(diǎn)。
換能器提供物理域和數字域之間的接口。電子(基于MEMS的慣性測量)和機械(Piezo)傳感器是最著(zhù)名的。其他類(lèi)型的傳感器也已存在并正在開(kāi)發(fā)中，特別是用于可穿戴醫療裝置。光學(xué)傳感器使用不同的波長(cháng)穿透皮膚至一定深度，并分析反射來(lái)了解佩戴者的健康狀況。同樣的，近場(chǎng)射頻(NFC)傳感器可以檢測呼吸模式和肺活量。微流體生物傳感器用于可穿戴醫療裝置來(lái)檢測汗液中的標記物。
未來(lái)的可穿戴技術(shù)將更符合我們自己的感官。智能的耳飾和眼鏡利用增強和虛擬現實(shí)的技術(shù)，可用于所有類(lèi)型的垂直產(chǎn)業(yè)。包括腳部和手部在內的衣飾，透過(guò)更準確地追蹤穿著(zhù)者的動(dòng)作來(lái)提供更加個(gè)性化的體驗。
可穿戴裝置驚人的成長(cháng)
可穿戴裝置在應用上各不相同，但因為同在一個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域，具有共同的特征�？纱┐餮b置需要盡可能不引人注目，這表示尺寸和重量將推動(dòng)主要的設計。小型集成裝置的可用性是解決方案的一部分，但為裝置供電將是最根本的能力。雖然許多自供電可穿戴傳感器的研究正在進(jìn)行，但絕大多數的裝置仍需要電池。
可穿戴裝置的新電池技術(shù)
電池容量也受到尺寸的限制。普及的CR2032鈕扣電池直徑為20 毫米，厚度為 3.2 毫米。 在3 V電壓下提供220 mAh的功率。如果使用容量為220 mAh的電池讓可穿戴裝置使用一周的時(shí)間，該裝置平均需要消耗大約130 uA。
用電動(dòng)汽車(chē)來(lái)做比較，電動(dòng)汽車(chē)每千瓦時(shí)功率(kWh)將回充大約5英里的續航里程。報導指出，電動(dòng)汽車(chē)電池的能量密度約為250 Wh/kg。續航里程為500英里的電池重量約為400公斤，而續航里程為200英里的電池重量約為160公斤。這同樣適用于任何電池供電的設備，包括可穿戴裝置。電池越大，電池充電或再充電之間的可用壽命越長(cháng)，但裝置會(huì )更大、更重，并且可能更昂貴。
電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)目前采用固態(tài)鋰電池技術(shù)。據報導，因為采用固體電解質(zhì)，它比鋰離子技術(shù)更為安全。這種本質(zhì)上的安全表示電池外殼可以更薄，進(jìn)而減輕整體重量并提高能量密度。對于固態(tài)微電池形式的可穿戴裝置來(lái)說(shuō)也是如此。這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)導者指出固態(tài)微型電池的能量密度是傳統鋰離子鈕扣電池的兩倍。
隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)轉向身體用的可穿戴裝置，電池的形狀變得更加彈性。例如：軟鋰離子可充電電池可以制造成柔軟的小袋子。這個(gè)格式支持功率密度相對較輕的較大電池。例如，透過(guò)將這些電池結合到織物中，可以用于智能服裝。
超低功耗制程技術(shù)
半導體產(chǎn)業(yè)對電力功率十分了解，這不僅關(guān)系到一個(gè)設備使用多少有源功率有關(guān)；隨著(zhù)晶體管密度的增加，它還影響到一個(gè)設備可以耗散的熱量。晶體管縮放和能量密度之間有關(guān)聯(lián)，因此開(kāi)發(fā)低功耗制程對半導體集成的未來(lái)是非常重要的。
著(zhù)時(shí)間推移，出現了幾種制程技術(shù)。其中包括「全空乏絕緣上覆硅」 (FD-SOI)，它在體基板上增加了一個(gè)絕緣層來(lái)減少主體電容。這提高了速度并降低了噪聲，可以用來(lái)降低工作電壓，進(jìn)而降低功耗。而較低的噪聲也促使一些制造商將其用于模擬IC。
另一項創(chuàng )新技術(shù)是在低于傳統閾值的電壓下操作晶體管。由于相同的原理，這種所謂的數字IC 亞閾值方法可以節省功率；較低的工作電壓等于較低的功率。
高性能和低功耗并其實(shí)不能真正配合。為了提高性能，半導體產(chǎn)業(yè)不久前轉向了鰭式場(chǎng)效晶體管(FinFET)，但該技術(shù)是最近才被用于超低功耗應用。大多數低功耗技術(shù)仍然依賴(lài)于平面晶體管制程，但FinFET可能是可穿戴技術(shù)中的下一個(gè)重要小東西。
制程技術(shù)不斷發(fā)展，超低功耗成為設計目標之一
目前正在生產(chǎn)的三種半導體工藝技術(shù)，包括用于平面體CMOS硅、用于低噪聲和快速操作的全空乏絕緣上覆硅(FD-SOI) 以及用于高性能的鰭式場(chǎng)效晶體管(FinFET)
節電電路特性
節能更超越了制程技術(shù)。技術(shù)不斷出現，特別是用于降低有效功率。骨牌式邏輯電路(Domino logic)并非一項新技術(shù)，但研究人員繼續探索其低功耗的發(fā)展潛力，尤其是在亞閾值制程中使用時(shí)。骨牌式電路與動(dòng)態(tài)電路相關(guān)，而動(dòng)態(tài)電路使用時(shí)鐘進(jìn)行組合邏輯，與不使用時(shí)鐘的靜態(tài)電路形成對比。
異步邏輯電路擴展了無(wú)時(shí)鐘電路的概念。這種方法使用功能塊之間的協(xié)議來(lái)指示一個(gè)塊的結果何時(shí)對下一個(gè)功能塊有效，而不是將所有內容同步到時(shí)鐘邊緣。當功率密度成為一個(gè)問(wèn)題時(shí)，可以利用異步邏輯的優(yōu)勢。移除時(shí)鐘避免了當所有功能塊實(shí)時(shí)切換到共同時(shí)鐘時(shí)可能發(fā)生的電源電流瞬時(shí)激增。有關(guān)于異步邏輯如何支持更低的電源軌電壓的研究正在進(jìn)行。
處理器制造商開(kāi)發(fā)的其他技術(shù)包括電壓和時(shí)鐘縮放，在處理器需求較低的時(shí)候降低兩者。這仍然主要是為了解決有效功耗問(wèn)題，而待機、睡眠和深度睡眠模式則側重于靜態(tài)功耗。減少靜態(tài)功耗的技術(shù)包括時(shí)鐘和電壓門(mén)控，當電路塊不使用時(shí)，會(huì )從電路塊中移除時(shí)鐘或是電源軌。當在沒(méi)有電源或信號觸發(fā)開(kāi)關(guān)的情況下，這些區域中的CMOS晶體管不會(huì )消耗功率。
ULP 電源管理
電源管理ICs或稱(chēng)PMIC，在單個(gè)裝置中提供電壓調節、轉換和電源保護。這些功能對于大多數產(chǎn)品來(lái)說(shuō)都很重要，但對于要求超低功耗運行的電池供電裝置而言，更為關(guān)鍵。
高度整合的PMIC提供的功能包括電源管理設備所提供的標準保護，例如過(guò)壓、欠壓、電流保護和短路保護。針對可充電設備的PMIC還包括電池充電管理、電池保護（熱、深度放電）和運行期間的電池電壓監控。
其他專(zhuān)為可穿戴裝置等超低功耗裝置所設計的功能則包括待機模式。這會(huì )將PMIC本身置于超低功耗模式，在不使用可穿戴裝置時(shí)降低靜態(tài)電流。
在有效模式下，高度整合的超低功耗PMIC可能包括可編程降壓升壓轉換器和低壓降穩壓器 (LDO)，來(lái)為產(chǎn)品的IC供電，即便是需要不同的電源電壓。監控功能可能包括一個(gè)帶電源循環(huán)的看門(mén)狗電路機制，以及一個(gè)用于與主機微控制器通訊的數字接口。PMIC可以是超低功耗設計策略的重要部分，因為PMIC通常會(huì )充分利用電池中的可用能量并提供電壓門(mén)控。
低功耗顯示技術(shù)
發(fā)光二極管技術(shù)不斷發(fā)展，提供更高的像素密度和更低的功率。主動(dòng)矩陣有機發(fā)光二極管(AMOLED) 技術(shù)已受到智能手機制造商的歡迎，并且預計將主導可折迭屏幕的市場(chǎng)。在可穿戴裝置中的應用也在增加，許多智能手表都使用AMOLED顯示器。
近年來(lái)最有前途的發(fā)展之一是microLED數組。microLED的光輸出，以尼特(燭光每平方米cd/m2)為測量單位，可比OLED技術(shù)高出好幾倍。這表示microLED只需要較少的功率來(lái)提供與其他顯示器相同的尼特。
和其他顯示器相同，microLED 是基于三個(gè)（紅色、綠色、藍色）非常小的LED像素數組。 顯示器的制造使用拾取并放置方法將microLED定位在基板上，或是不需要額外拾放過(guò)程的單體技術(shù)。與拾放技術(shù)相比，單體microLED技術(shù)可以支持更小的像素間距，因此它對小型可穿戴顯示器而言很有吸引力，尤其是眼鏡。
其他低功率顯示器技術(shù)包括電子紙。電子紙的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須電源來(lái)操作。電子顯示像素透過(guò)將顏料懸浮在電解質(zhì)中來(lái)運作。當偏振時(shí)，顏料的方向會(huì )發(fā)生變化。而入射光不是被反射，就是穿過(guò)像素。因為這個(gè)技術(shù)不會(huì )發(fā)光，閱讀顯示器需要光源，而且顯示器通常不包括背光。然而，它們在陽(yáng)光直射下仍可閱讀，這使電子紙成為電子閱讀器的熱門(mén)選擇。
電子紙的主要優(yōu)點(diǎn)為它是雙穩定的，這表示著(zhù)無(wú)須電源即可將圖像保留在屏幕上。這對超低功耗應用而言極具吸引力。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，靈活的解決方案可以在智能服裝或可直接用于皮膚上的可穿戴裝置中找到適合的應用。
超低功耗無(wú)線(xiàn)通信
無(wú)線(xiàn)連接不是可穿戴技術(shù)的先決條件，因為許多應用程序可以透過(guò)有線(xiàn)連接進(jìn)行同步，例如擴展基座，它也可以為電池充電。然而，早期和目前始終在線(xiàn)、始終連接的可穿戴裝置之體驗，已經(jīng)建立了消費者的期望。因此，無(wú)線(xiàn)通信對于未來(lái)的可穿戴技術(shù)來(lái)說(shuō)似乎是不可或缺的。
藍牙仍然是點(diǎn)對點(diǎn)應用中首選的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。雖然可穿戴裝置可采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )模型，但可穿戴技術(shù)的特質(zhì)顯示點(diǎn)對應用可能最能受到青睞。
最近對藍牙規范的修訂，從版本5.0開(kāi)始，主要重點(diǎn)在將藍牙的適用性擴展到智能應用程序。雖然這并未直接解決功耗問(wèn)題，但藍牙低功耗或稱(chēng)BLE（隨版本4.0引入）仍然設法在超低功耗應用中提供出色的性能。
如果位置追蹤是可穿戴裝置的一項重要功能，那么藍牙5.1版本以上將是一個(gè)很具吸引力的選擇。透過(guò)為RF信號提供到達角(AoA)和離開(kāi)角(AoD)來(lái)支持定位和追蹤。當與已知位置的信標一起使用時(shí)，可用來(lái)確定位置。
一些可穿戴裝置可能需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)直接尋址，因此基于IP的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )協(xié)議可能會(huì )更適合。 選項包括6LowPAN和Thread，以及 Wi-Fi�，F在有幾個(gè)系統單芯片(SoC)的例子，提供與微控制器內核一起集成的多協(xié)議無(wú)線(xiàn)電，可以滿(mǎn)足可穿戴裝置市場(chǎng)的這部份需求。
近場(chǎng)通訊 (NFC) 是另一種進(jìn)入可穿戴裝置領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。NFC可以為可穿戴傳感器提供電力和數據，為小型電池充電并交換數據。對于不需要始終連網(wǎng)但可始終在線(xiàn)的可穿戴裝置來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)可行的選擇。
可穿戴裝置的實(shí)驗室芯片
將數字處理與模擬前端整合起來(lái)用于生物醫學(xué)感測的想法已經(jīng)存在了一段時(shí)間。這個(gè)領(lǐng)域仍然在持續發(fā)展，但更著(zhù)重于使醫療設備可以穿戴。
這些高度整合的裝置將超低功耗處理與專(zhuān)用傳感器接口相結合。這使得它們比大多數IC的通用性更低，而這表示市場(chǎng)本身正在走向成熟。
光學(xué)傳感器在這種情況下運作效果很好，因為它們提供了一種監測生命統計數據的非侵入性方式，并且可以放置在身體周?chē)母鱾�(gè)地方。制造商現在在將光子組件與邏輯整合在一起，來(lái)建立實(shí)驗室芯片解決方案。相同地，手腕成為這些IC所支持的可穿戴裝置最受歡迎的位置。
可穿戴電子產(chǎn)品的未來(lái)
對于可穿戴技術(shù)的預測一直都很樂(lè )觀(guān)。最大的發(fā)展潛力持續鎖定在用于家庭健康和醫療應用的可穿戴技術(shù)上。而整合裝置是推動(dòng)市場(chǎng)成長(cháng)的關(guān)鍵；在一般情況下，IC制造商一定希望在投入過(guò)多時(shí)間、金錢(qián)和精力開(kāi)發(fā)所需解決方案之前就能看到市場(chǎng)真正的潛力。
一旦做出決策，這些解決方案的出現仍然需要時(shí)間。半導體市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)可能會(huì )讓創(chuàng )新者和初創(chuàng )企業(yè)感到沮喪，因為他們會(huì )希望推出的新應用能夠抓住消費者的心。而在可穿戴裝置領(lǐng)域就有很多這樣的應用。
但有證據顯示這些解決方案現在就可以使用。在消費品產(chǎn)業(yè)中，智能手表和健康追蹤器目前是可穿戴技術(shù)的主要例子，而且銷(xiāo)量還在不斷擴大。而醫療裝置產(chǎn)業(yè)對制造商來(lái)說(shuō)非常有趣，但市場(chǎng)動(dòng)態(tài)顯然和其他產(chǎn)業(yè)不同。另外，增強現實(shí)技術(shù)已準備好徹底改變工業(yè)垂直領(lǐng)域。
這或許是可穿戴技術(shù)現在面臨的最大挑戰。在終端應用方面，它是非常分散的。很少有其他行業(yè)面臨如此程度的分散。然而基本上來(lái)說(shuō)，使用技術(shù)大部分是相同的。OEM需要利用這些技術(shù)來(lái)創(chuàng )造真正解決問(wèn)題或改善特定應用領(lǐng)域情況的新產(chǎn)品。
安富利的業(yè)務(wù)遍及所有垂直產(chǎn)業(yè)和各個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域。工程師正在與客戶(hù)合作探索新的解決方案，并準備幫助OEM找出適合其應用的技術(shù)。 |
