作者：Philip Ling
可穿戴裝置的設(shè)計(jì)要求在嵌入式系統(tǒng)中是獨(dú)特的。設(shè)計(jì)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(duì)于可穿戴裝置而言，越小不僅是越好，而且是必要的。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了具有更低耗散功率且更小的集成裝置。這些都是擴(kuò)展可穿戴技術(shù)潛在應(yīng)用的重要貢獻(xiàn)者。工程師擁有更多的設(shè)計(jì)自由，可以使用功能更強(qiáng)大的集成裝置。
如今，大多數(shù)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(yī)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(jiān)測(cè)運(yùn)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(cè)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(shù)字域之間的接口。電子(基于MEMS的慣性測(cè)量)和機(jī)械(Piezo)傳感器是最著名的。其他類型的傳感器也已存在并正在開發(fā)中，特別是用于可穿戴醫(yī)療裝置。光學(xué)傳感器使用不同的波長(zhǎng)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(cè)呼吸模式和肺活量。微流體生物傳感器用于可穿戴醫(yī)療裝置來(lái)檢測(cè)汗液中的標(biāo)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(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，可用于所有類型的垂直產(chǎn)業(yè)。包括腳部和手部在內(nèi)的衣飾，透過(guò)更準(zhǔn)確地追蹤穿著者的動(dòng)作來(lái)提供更加個(gè)性化的體驗(yàn)。
可穿戴裝置驚人的成長(zhǎng)
可穿戴裝置在應(yīng)用上各不相同，但因?yàn)橥谝粋�(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域，具有共同的特征。可穿戴裝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(shè)計(jì)。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(shù)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)汽車來(lái)做比較，電動(dòng)汽車每千瓦時(shí)功率(kWh)將回充大約5英里的續(xù)航里程。報(bào)導(dǎo)指出，電動(dòng)汽車電池的能量密度約為250 Wh/kg。續(xù)航里程為500英里的電池重量約為400公斤，而續(xù)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(shè)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(zhǎng)，但裝置會(huì)更大、更重，并且可能更昂貴。
電動(dòng)汽車市場(chǎng)目前采用固態(tài)鋰電池技術(shù)。據(jù)報(bào)導(dǎo)，因?yàn)椴捎霉腆w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(duì)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(dǎo)者指出固態(tài)微型電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離子鈕扣電池的兩倍。
隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(duì)較輕的較大電池。例如，透過(guò)將這些電池結(jié)合到織物中，可以用于智能服裝。
超低功耗制程技術(shù)
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)電力功率十分了解，這不僅關(guān)系到一個(gè)設(shè)備使用多少有源功率有關(guān)；隨著晶體管密度的增加，它還影響到一個(gè)設(shè)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)，因此開發(fā)低功耗制程對(duì)半導(dǎo)體集成的未來(lái)是非常重要的。
著時(shí)間推移，出現(xiàn)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(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)是在低于傳統(tǒng)閾值的電壓下操作晶體管。由于相同的原理，這種所謂的數(shù)字IC 亞閾值方法可以節(jié)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不久前轉(zhuǎn)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(yīng)用。大多數(shù)低功耗技術(shù)仍然依賴于平面晶體管制程，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(shè)計(jì)目標(biāo)之一
目前正在生產(chǎn)的三種半導(dǎo)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(jié)電電路特性
節(jié)能更超越了制程技術(shù)。技術(shù)不斷出現(xiàn)，特別是用于降低有效功率。骨牌式邏輯電路(Domino logic)并非一項(xiàng)新技術(shù)，但研究人員繼續(xù)探索其低功耗的發(fā)展?jié)摿Γ绕涫窃趤嗛撝抵瞥讨惺褂脮r(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(duì)比。
異步邏輯電路擴(kuò)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(jié)果何時(shí)對(duì)下一個(gè)功能塊有效，而不是將所有內(nèi)容同步到時(shí)鐘邊緣。當(dāng)功率密度成為一個(gè)問題時(shí)，可以利用異步邏輯的優(yōu)勢(shì)。移除時(shí)鐘避免了當(dāng)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題，而待機(jī)、睡眠和深度睡眠模式則側(cè)重于靜態(tài)功耗。減少靜態(tài)功耗的技術(shù)包括時(shí)鐘和電壓門控，當(dāng)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(dāng)在沒有電源或信號(hào)觸發(fā)開關(guān)的情況下，這些區(qū)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PMIC，在單個(gè)裝置中提供電壓調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和電源保護(hù)。這些功能對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)都很重要，但對(duì)于要求超低功耗運(yùn)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(shè)備所提供的標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)，例如過(guò)壓、欠壓、電流保護(hù)和短路保護(hù)。針對(duì)可充電設(shè)備的PMIC還包括電池充電管理、電池保護(hù)（熱、深度放電）和運(yùn)行期間的電池電壓監(jiān)控。
其他專為可穿戴裝置等超低功耗裝置所設(shè)計(jì)的功能則包括待機(jī)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(zhuǎn)換器和低壓降穩(wěn)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(jiān)控功能可能包括一個(gè)帶電源循環(huán)的看門狗電路機(jī)制，以及一個(gè)用于與主機(jī)微控制器通訊的數(shù)字接口。PMIC可以是超低功耗設(shè)計(jì)策略的重要部分，因?yàn)镻MIC通常會(huì)充分利用電池中的可用能量并提供電壓門控。
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(jī)發(fā)光二極管(AMOLED) 技術(shù)已受到智能手機(jī)制造商的歡迎，并且預(yù)計(jì)將主導(dǎo)可折迭屏幕的市場(chǎng)。在可穿戴裝置中的應(yīng)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(shù)組。microLED的光輸出，以尼特(燭光每平方米cd/m2)為測(cè)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(lán)色）非常小的LED像素?cái)?shù)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(duì)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(yùn)作。當(dāng)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?yàn)檫@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?cè)陉?yáng)光直射下仍可閱讀，這使電子紙成為電子閱讀器的熱門選擇。
電子紙的主要優(yōu)點(diǎn)為它是雙穩(wěn)定的，這表示著無(wú)須電源即可將圖像保留在屏幕上。這對(duì)超低功耗應(yīng)用而言極具吸引力。隨著技術(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(yīng)用。
超低功耗無(wú)線通信
無(wú)線連接不是可穿戴技術(shù)的先決條件，因?yàn)樵S多應(yīng)用程序可以透過(guò)有線連接進(jìn)行同步，例如擴(kuò)展基座，它也可以為電池充電。然而，早期和目前始終在線、始終連接的可穿戴裝置之體驗(yàn)，已經(jīng)建立了消費(fèi)者的期望。因此，無(wú)線通信對(duì)于未來(lái)的可穿戴技術(shù)來(lái)說(shuō)似乎是不可或缺的。
藍(lán)牙仍然是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用中首選的無(wú)線技術(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(duì)應(yīng)用可能最能受到青睞。
最近對(duì)藍(lán)牙規(guī)范的修訂，從版本5.0開始，主要重點(diǎn)在將藍(lán)牙的適用性擴(kuò)展到智能應(yīng)用程序。雖然這并未直接解決功耗問題，但藍(lán)牙低功耗或稱BLE（隨版本4.0引入）仍然設(shè)法在超低功耗應(yīng)用中提供出色的性能。
如果位置追蹤是可穿戴裝置的一項(xiàng)重要功能，那么藍(lán)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(hào)提供到達(dá)角(AoA)和離開角(AoD)來(lái)支持定位和追蹤。當(dāng)與已知位置的信標(biāo)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(xiàng)包括6LowPAN和Thread，以及 Wi-Fi。現(xiàn)在有幾個(gè)系統(tǒng)單芯片(SoC)的例子，提供與微控制器內(nèi)核一起集成的多協(xié)議無(wú)線電，可以滿足可穿戴裝置市場(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)線技術(shù)。NFC可以為可穿戴傳感器提供電力和數(shù)據(jù)，為小型電池充電并交換數(shù)據(jù)。對(duì)于不需要始終連網(wǎng)但可始終在線的可穿戴裝置來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)可行的選擇。
可穿戴裝置的實(shí)驗(yàn)室芯片
將數(shù)字處理與模擬前端整合起來(lái)用于生物醫(yī)學(xué)感測(cè)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(xù)發(fā)展，但更著重于使醫(yī)療設(shè)備可以穿戴。
這些高度整合的裝置將超低功耗處理與專用傳感器接口相結(jié)合。這使得它們比大多數(shù)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(yùn)作效果很好，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘环N監(jiān)測(cè)生命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的非侵入性方式，并且可以放置在身體周圍的各個(gè)地方。制造商現(xiàn)在在將光子組件與邏輯整合在一起，來(lái)建立實(shí)驗(yàn)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(duì)于可穿戴技術(shù)的預(yù)測(cè)一直都很樂觀。最大的發(fā)展?jié)摿Τ掷m(xù)鎖定在用于家庭健康和醫(yī)療應(yīng)用的可穿戴技術(shù)上。而整合裝置是推動(dòng)市場(chǎng)成長(zhǎng)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、金錢和精力開發(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(xiàn)仍然需要時(shí)間。半導(dǎo)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?yàn)樗麄儠?huì)希望推出的新應(yīng)用能夠抓住消費(fèi)者的心。而在可穿戴裝置領(lǐng)域就有很多這樣的應(yīng)用。
但有證據(jù)顯示這些解決方案現(xiàn)在就可以使用。在消費(fèi)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，而且銷量還在不斷擴(kuò)大。而醫(yī)療裝置產(chǎn)業(yè)對(duì)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已準(zhǔn)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(xiàn)在面臨的最大挑戰(zhàn)。在終端應(yīng)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)造真正解決問題或改善特定應(yīng)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。工程師正在與客戶合作探索新的解決方案，并準(zhǔn)備幫助OEM找出適合其應(yīng)用的技術(shù)。 |
