元器件在可穿戴产品中运用的流行趋势

王莹 毛烁

摘要：可穿戴市场2022年将达到到2亿出货量，中国预计8300万台。更小的尺寸/更轻的重量、超低功耗、集成更多功能、易于集成成为趋势，这需要低功耗处理、小型传感器、无线蓝牙、无线充电、高效电源等方案。

关键词：可穿戴；集成；多样化；低功耗

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.002

市场总体状况

IDC中国研究经理潘雪菲表示：可穿戴市場从2017年的1.1亿出货量，到2022年将达到到2亿出货量。中国可穿戴设备市场2017年为5千万出货量，2022年预计达到8300万台出货量。中国市场主要以手环手表为主，手环2017年为2500万个，手表2300万个。

IDC预测，可穿戴市场从2017年的1.1亿出货量，到2022年将达到到2亿出货量。中国可穿戴设备市场2017年为5千万出货量，2022年预计达到8300万台出货量。中国市场主要以手环手表为主，手环2017年为2500万个，手表2300万个。

ADI：可穿戴设备在医疗行业的实际应用日益广泛

现今可穿戴设备在医疗行业的实际应用面扩大，在体征信号监测方面的产品和方案引领趋势，解决用户最核心的问题，并获得十分可观的市场回报，其中包括专业的监护类产品（多用于医院内）和可穿戴产品（个人消费品或个人健康产品）。具体来说，ADI在光电技术、生理阻抗测量、生理电势采集、温度、运动状态监测以及环境相关（如气体，C02以及紫外线监测等）等领域都有持续投资以及产品方案在市场上的极大认可。

在光电法测量生理体征信号方面，ADI的ADPD系列传感器及信号处理方案，正在被很多大的品牌客户设计使用。专门应用于光电法的各类生理体征信号的监测的具有独特优势的产品ADPD系列产品，例如ADPD142，APD153，ADPD144以及ADPD174等是目前市面上集成度高、体积小、功耗低、性能好，是一款非常成熟的解决方案。可用于诊断级产品也可适用于消费级的产品相关体征信号的采集，例如心率，血氧含量等。ADPD174GGI，可以大大简化系统级光学结构设计的挑战，解决内部环境光干扰问题等，进而保证最终产品的一致性和生产环节的成本和效率，目前此模块产品已被全球知名的可穿戴厂商采纳，并已经大量出货。

除此以外，ADI公司刚刚量产了最新一代光电测量模块产品ADPD188，使得该类应用在功耗、性能、设计简易度、简化客户的产线流程以及成本等方面又获得了优化和突破进展。

ADI的系列低功耗、单导联、心率监护仪模拟前端以及最新的，专为满足新兴的健身设备、便携式/佩戴式监控设备和远程健康监护设备的ECG信号调理要求而设计。与当前很多集成解决方案中采用的拓扑结构不同，高度灵活的模拟滤波配置采用双极高通滤波器，结合芯片内部的仪表放大器架构和无使用约束运算（增益）放大器，支持用户采用多极低通滤波技术来消除线路噪声和其他干扰，并可提供在关断（shutdown）模式下的导联脱落监测功能。它为系统设计人员提供了灵活性，将健身和医疗监护的价值和性能提升到一个新的水平。

在医院用及家用便携式医疗电子电子领域，ADI拥有一系列创新产品和解决方案，支持多种便携式医疗保健领域的高精度、低功耗片上计量仪ADuCM350已在国内和国外的几家有代表性的大客户中都取得里程碑式的进展：

儒卓力：传感器功能快速扩展新型可穿戴设备面世

在多种传感器和其他无线技术的推动之下，用于监控健康和健身的可穿戴设备成为了一个高增长市场。如今，这些高度微型化的设备可能包括陀螺仪、加速计、温度和压力传感器、GPS模块甚至麦克风，并且通过蓝牙、WiFi、ANT或结合多种无线技术进行连接。这些产品能够追踪方向并进行空间定位，对于训练中的运动员和医疗保健领域的24小时生命体征监控具有重大价值。它们积累的数据通常需要无线传输，而传统天线需占用较大空间，这一直是一个设计上的挑战。

芯片天线的面世彻底改变了小型化的无线设计，并大大减少了天线在PCB上和设备外壳内占用的空间。虽然这些芯片天线通常依赖于地平面以实现有效辐射，但它们不再需要在PCB上隔离以避免干扰，工程师将其称为“禁止（keepout）”区域。这允许智能手表包含一个或两个天线，可能长度约为2毫米，而智能手机则可能有四个或更多天线。

儒卓力产品组合中的AVX 2.4 GHz陶瓷芯片天线支持Wi-Fi、ANT、ZigBee和蓝牙，匹配代码1001312，小巧的尺寸为2.O mm x l.2mm x O.55mm。

随着市场上可用的微机电系统（MEMS）传感器的数量迅速增加，可穿戴设备的功能范围日益扩大。例如，儒卓力产品组合包括Bosch Sensortec BME680，这是第一款可以精确地线性检测气体、气压、湿度和温度的集成式MEMS传感器。BME680具有节省空间的设计和低功耗，尺寸仅为3.O mm x3.mm x0.95 mm，是专为可穿戴设备和移动应用而开发的集成环境传感器。 儒卓力提供多种适用于可穿戴应用的传感器产品，包括威世的VCNL4020C高分辨率数字生物传感器和环境光传感器。该器件是完全集成的，封装中包含了红外发射器，它具有16位分辨率，环境光光谱灵敏度接近人眼。

各种可穿戴设备领域经历了快速的增长，不仅需要超小的器件尺寸，还要极低的功耗以实现最长的电池寿命，并支持高耐久性写入循环以实现实时数据记录。FRAM提供卓越性能以满足这些严格要求。

村田：如今的可穿戴市场，智能手表有独特优势

可穿戴设备概念形成至今40多年，真正在消费市场走红却只是最近几年的事情。然而这市场崛起的几年对可穿戴产品的概念，形式以及功能需求的影响却大大的超过了过去几十年的发展。

几年前只要有个g sensor能实现计步，就可以围绕其做成一个产品。而那时也是此类智能手环井喷的时代。而消费者的需求是会不断的增长的，所以更多的功能，更准确的数据，以及更便捷的使用等等，都变成了产品提供商要面对的问题。

对于专攻运动市场来说，其专业性，装饰性以及丰富的功能集成对消费者来说依1日保持着强大的吸引力。

村田作为被动元器件以及传感器的知名提供商，在可穿戴领域一直进行着投资与开发。针对运动手表应用，村田开发出了集小型化，低功耗，高信噪比以及器件防水于一体的防水型气压计ZPA3456-0311A-R，其可实现l/64Pa的高分辨率并可实现最低1.4 μ A的工作电流，同时具备器件防水功能，可用于运动手表的气压检测，并支持水下10M的防水等级。ROHM的电源、传感器、无线供电产品

近年来，智能手机等移动设备、可穿戴式设备及IoT设备等用电池驱动的电子设备迅速普及。而且，为了提高产品的设计灵活度并确保配置新功能所用的空间，要求这些产品上搭载的元器件的功耗要降低到极限，以实现小型化并延长电池使用寿命。

一直以来，ROHM运用模拟设计技术和电源系统的工艺技术优势，并发挥垂直统合型生产体制的优势，致力于开发满足市场需求的电源IC。此次再次发挥这些优势，开发出搭载超低消耗电流技术“Nano Energy”的电源IC。

随着人们健康意识的提高，为实现看护和工作人员的健康管理，对于可穿戴式设备，不再仅要求脉率测量，还希望测量包括压力、血管年龄在内的各种生命体征的需求日益高涨。而要测量复杂的生命体征，需要提高采样频率，增加单位时间的测量次数，但存在功耗增加、应用的驱动时间缩短的问题。

ROHM利用独有的红外线去除技术和多年来积累的光传感器领域的技术经验，开发出在变动剧烈和太阳光等红外线较强的环境下也可高精度测量的低功耗脉搏传感器。此次，ROHM对这些技术进一步优化，开发出满足时代需求的高速采样的脉搏传感器。

戴在耳朵上的“智能耳戴式设备”作为新一代可穿戴式设备而备受瞩目。然而，由于智能耳戴式设备的超小型体积，使得MicroUSB连接器等供电用端子成为小型化与进一步节省空间的大问题。在这种背景下，无线供电可以无需端子，这将非常有利于设备的小型化。另外，没有端子还可提高防水性、防尘性等安全性能，对于超小型设备来说是非常有效的供电系统。

一直以来，ROHM集团面向智能手机和平板电脑等终端，不断地开发并供应满足无线供电标准（WPC Qi等）的产品。蓝碧石半导体作为NFCForum的主要成员--ROHM集团的旗下公司，一直与ROHM-同积极参与适用于需要超小型无线供电系统的可穿戴式设备的13.56MHz无线供电标准的制定。

超低功耗FPGA在可穿戴产品的应用

实时在线的环境感知是许多可穿戴产品希望实现的功能。为了实现实时在线且准确的传感，通常采用两级处理的方式来最小化功耗。第一级通常是超低功耗实时在线的推理引擎，用于执行音频、视频或IMU检测，而第二级，更耗电的应用处理器保持在睡眠模式。当检测到预设的触发情况（例如关键短语、有人出现或特定手势）时，推理引擎唤醒应用处理器。FPGA的并行处理能力和功耗被认为非常适合低延迟和实时在线模式的推理功能。除了适用于各种互连应用，iCE40 UltraPlus还具有ImW的超低功耗和WLCSP封装，使其成为实时在线可穿戴应用的理想选择。

使用UltraPlus的设计复杂性在于需要用硬件描述语言实现推理和处理算法。随着今年早些时候sensAI的推出，实现FPGA中的低功耗和低成本推理变得前所未有的简单。利用机器学习生态系统和设计流程

（如Caffe和TensorFlow），莱迪思现在提供基于iCE40UltraPlus和ECP5 FPGA系歹U的全新开发生态系统，帮助开发人员快速构建Al网络边缘解决方案。莱迪思sensAI还提供各种参考设计和演示用于概念验证。UltraPlus相关演示包括关键词检测、人脸检测和人员检测，这些都是许多可穿戴应用中广受欢迎的功能。更重要的是，莱迪思的sensAI使开发人员能够在低成本、低功耗、小尺寸的UltraPlus中快速创建并实现自己的实时在线处理应用。

可穿戴医疗需要紧凑、无线连接和无线充电方案

目前可穿戴种类繁多，能够给大众带来实质性的便利和意义的产品都是有市场需求，其商业市场肯定有一定的生存空间，随着人们经济基础和教育水平的提升，人们对带有身体健康指标的可穿戴产品日益需求旺盛，通過日常身体参数的采集，进行大数据分析从而给出建设性意见，也从而循序渐进改善的健身，睡眠，饮食等各个关系到身体健康因素。

针对日常生活中需要用到的可穿戴产品的特点就是需要“可穿戴”体积要小；“日常生活中”要求实用，功耗要低，同时带有无线联接等这类特点。安森美半导体在医疗行业积累了30多年的经验，把以前专业的医疗继续衍生到目前可穿戴医疗行业，这种革新让这种可穿戴医疗产品更具备专业性，专业的“Struix”技术可以让产品方案的体积更紧凑、功能多样化。同时利用多年的技术经验和工艺，设计出领先的超低功耗蓝牙SoC方案RSL10，从而解决市场功耗的瓶颈。此外安森美半导体根据可穿戴产品的特点，设计出专门针对可穿戴产品的充电方案HPM10，从另外一个层面解决了低功耗的需求。

超低功耗蓝牙产品正被广泛采用

今年以来我们高兴地看到又一批基于Dialog超低功耗蓝牙平台的可穿戴产品陆续面市，不仅有新一代靓丽的小米手环3，青春米动手环手表的发布，手环手表这些产品是可穿戴设备市场的经典传统产品。同时我们还欣喜的看到Dialog低功耗蓝牙芯片被采用到新的可穿戴产品上，比如西门子空气质量检测仪，小巧精准，可以方便放入口袋；小米公司联合Oculus推出VR手柄：以及小米生态链公司发布的几款智能牙刷等等。近期最火最吸引眼球的莫过于猎豹公司发布的“小豹翻译棒”，该产品与同类产品相比，外观更加小巧精致，待机时间更长，这些新的产品形态就是可穿戴产品新的市场拓展和新的应用，所以我们认为可穿戴设备市场未来会在为人们健康、出行、娱乐休闲等方面提供更加多样化的产品。

承载这些可穿戴产品更加多样化和优异产品性能最重要的就是低功耗蓝牙SoC的选择，上面提到的这些产品对尺寸和待机时间都有苛刻的要求。Dialog作为低功耗蓝牙技术的杰出供应商，为可穿戴市场提供了非常优秀的芯片选择。Dialog用于可穿戴市场的低功耗蓝牙SoC DA1468x系列不仅具有超低功耗的性能，同时还具有非常高的集成度：片内集成高效率的电源管理单元，能在待机的情况下为外部传感器提供电源输出，同时片内还集成了充电管理、电量监测以及丰富的外设接口，这些都极大地方便客户进行产品设计，减小了PCB尺寸并节约了成本。不仅如此，Dialog还在系统解决方案上着力，我们在今年蓝牙亚洲大会（ Bluetooth Asia）会议期间发布了基于Dialog低功耗蓝牙SoC的传感器融合算法SmartFusion，为客户快速推出产品助一臂之力。

小尺寸、超低功耗、高集成度，这些特性即将在Dialog为可穿戴市场推出的新一代超低功耗蓝牙平台上得到更新的诠释！我们拭目以待。

可穿戴的连接器趋于微型化

运动摄像机可以归类为可穿戴设备，因为这类产品可以安装到头盔上，或者佩戴在手腕上或者衣服的物件上，同时捕捉到壮观的运动视频，在滑雪时。这一相对较新的市场正在经历着显著的增长，增长的推动力有可能来自于社交网络站点的普及，在这些站点上，可以与朋友们一起分享运动摄像机所录制下来的视频和静态影像。然而，这不仅仅是一个消费市场。专业的电影和电视制作也在越来越多的使用运动摄像机，此外还有安防和监控领域。

运动摄像机的设计一直在不断的演进。尽管摄像机一般以16：9的长宽比来录制影像，有几个支持360度视频拍摄的运动摄像机现已进入市场。由于这类摄像机采用了多个镜头，所得的视频就必须在软件中“拼接”到一起，而且有些型号现在能够在摄像机内完成这一工作。并且，运动摄像机的视频分辨率一直在稳步提升。市场上当前至少有一种型号的运动相机拍摄的视频分辨率可达5.2K。

运动摄像机内部电子元件的复杂性日益提高，需要向微型化的方向发展。Molex设计出了Pico-EZmate超薄1.2毫米间距线对板连接系统，可在紧凑的外形内提供稳固的连接效果，同时提高了可靠性和装配速度。

CEVA：可穿戴设备的语音控制与远程连接

在最初的浩大声势过后，可穿戴设备的市场正在走向成熟，某些可穿戴设备领域显示出令人向往的愿景。通过健身腕带或具有先进生物识别功能的智能手表进行健康追踪的市场正在腾飞。此外，新的低功耗蜂窝标准可将这些设备连接到无线网络，而且不会像3G或LTE技术般，在几小时内耗尽电池寿命。另外，全新蜂窝技术将使儿童和老年人的个人安全可穿戴设备能够在任何可接通无线网络的地方进行连网，并使设备能够在充电后运行长达一年时间。

CEVA提供了许多适用于可穿戴设备的技术，以短距离连接为例，且开发了蓝牙和Wi-Fi技术，这些技术广泛应用于目前的各种可穿戴设备，许多客户和OEM厂商均同时使用低功耗蓝牙和双模蓝牙。

对于远程连接，CEVA公司针对全新低功耗、低数据速率蜂窝标准NB-IoT开发了全面的解决方案，可以部署在包括可穿戴设备的任何IoT设备中，将这些设备连接到蜂窝网络。CEVA公司的Dragonfly NB2平台为希望将NB-IoT集成到芯片设计中的客户提供了结合基带、RF和协议栈的完整解决方案。

对于通过蜂窝网络传输音频和多媒体流的可穿戴设备，新的Cat-Ml标准专门为此设计。已经有许多用户利用CEVA DSP来开发部署采用这项标准的芯片产品。

可穿戴设备的另一个趋势是添加语音作为接口，使得用户在不必触摸可穿戴设备的情况下控制设备功能，只需连接到Alexa或者其他语音助手。对于这些应用，CEVA公司提供极低功耗TL410 DSP，它始终处于开启状态，可以监听唤醒设备的命令。CEVA还提供专门的CEVA-X2音频/语音DSP，它带有拾取语音和消除背景噪音功能，并确保可理解的清晰语音质量，用于运行需要这些特性的语音前端软件。

TDK新技术辅助可穿戴产品

物联网的预期发展，以及海量无线连接的设备和传感器的面市，都预示着可穿戴设备市场将呈现爆发式的增长。短距离无线电传输技术的应用将大幅拓展，特别是低能耗的蓝牙（BLE）和WiFi技术。可穿戴应用的典型应用是智能手表，音频耳机和耳塞，活动、运动、健身和健康跟踪器，定位设备，医疗保健监测设备，增强现实应用，虚拟现实应用等，当然以上只是少数代表性的示例，实际远不止于此。

TDK公司可为这些应用提供各种解决方案和技术，特别是创新型传感器解决方案、能源装置和下一代电子元件，包括针对未来小型化和性能需求的先进智能封装技术。TDK公司拥有丰富的传感器产品组合，包括先进的MEMS运动传感器和麦克风，可覆盖从通用运动型传感应用到增强现实和虚拟现实应用等。

此外，公司还提供

InvenSense定位库（IPL）软件，可辅助仅依赖全球卫星导航系统（GNSS）无法准确定位的传感器准确定位。IPL结合了传感器辅助定位算法，可通过惯性传感器改善卫星信号容易被多径阻挡或扭曲的城区中的GNSS定位。如此一来，工作人员即便在“都市峡谷”里面行走也能实时获得精确定位。即使用于挑战性的工作环境，IPL也能连续、准确地提供位置、速度和方向等信息。同时气压计的配合能检测出任何你所在的楼层和高度。另外TDK公司提供了整体解决方案，除了硬件，TDK公司还有一些基础算法，比如自动识别走路，跑步，骑车的算法。客户可以用TDK公司的整体解决方案快速高效的制造出产品推向市场。

能源设备包括锂离子电池、DC-DC转换器、无线电力传输，以及CeraChargeTM。后者是新推出的全球首款可充电、SMD兼容的固态陶瓷锂离子电池，适合回流焊接工艺。相比于同尺寸的电容器，CeraCharge不仅能量容量是前者的1 000倍，且结合了锂离子电池的优势以及陶瓷多层元件的安全性和制造優势，不会出现泄漏、燃烧或爆炸现象。

CeraCharge可提供1812 [EIA]封装尺寸（4.5 x 3.2 x l.lmm），目前标称电压为1.4V，额定容量为100μAh，工作温度为-20至+80℃。CeraChargeTM的推荐应用领域包括可穿戴设备的平滑电压和电流的子电池，用作实时时钟的备用电池或低功率应用能量存储方案。

TDK公司的下一代电子元件中有一项适合可穿戴设备的有趣技术

TDK的SESUB（半导体嵌入式基板）。SESUB是TDK公司的集成电路（IC）封装和系统级封装（SiP）技术之一。通过SESUB SiP技术，TDK公司能制作各种模块，将IC嵌入基板中，而其余组件则安装在基板顶部，从而可在不影响性能的前提下实现SESUB微型化的关键功能。与分布式解决方案相比，SESUB模块能在印制电路板上节省大量的空间，因为IC和周围的被动元件会在印制电路板上占据相同的空间尺寸。SESUB的其他主要功能还包括更好的散热性能，更高的可靠性，以及更低的嵌入式IC芯片损耗和噪声。此外，SESUB技术还可在基板中嵌入多个IC芯片。

TDK公司已开发出齐全的下一代电子元件产品组合，包括适用于可穿戴设备的触觉反馈压电执行器、柔性太阳能电池、用于能量收集的元件EDLC（双电层电容器），以及用于医疗保健/可穿戴设备、全球导航卫星系统（GNSS）、蓝牙和Wi-Fi芯片天线的RF和传感器驱动电源。

TDK公司致力于持续创新，不断使用非传统材料制造出具有更高性能的小型化元件，以满足未来不断变化的需求，是满足客户可穿戴设备硬件需求的“一站式服务”供应商！

参考文献：

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[2]王莹，王金旺，解读智能可穿戴的技术困境与重生之门[J]，电子产品世界，2017（9）；14-20

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[4]高芳，赵志耘，张旭，等基于专利的全球可穿戴设备竞争态势分析[J]，电子产品世界，2015（7）；25-27