高能效與節(jié)電

小尺寸和低功耗是可穿戴設(shè)備的重中之重

　　手腕佩戴的健身和健康設(shè)備，包括智能手表，這些設(shè)備不僅具有計步功能，而且提供相關(guān)的健身/健康數(shù)據(jù)。其中可能包括運動強度分析、基本心率和心率變異性等參數(shù)?，F(xiàn)在的關(guān)鍵元件能夠高精度測量不同運動狀態(tài)下的心率，同時功耗較低、電池壽命較長。將來的發(fā)展趨勢是提供更多的生物檢測功能，從而實現(xiàn)更全面的健康評估，而設(shè)計者需要在小尺寸、低功耗方面做更多的優(yōu)化。用于生命體征監(jiān)測的可穿戴設(shè)備發(fā)展很快。此類設(shè)計的有些方面非常關(guān)鍵，包括低功耗、小尺寸以及設(shè)計簡單性。

　　Maxim致力于為客戶提供創(chuàng)新的可穿戴解決方案。例如，我們在可穿戴健身和健康應(yīng)用領(lǐng)域的IP和知識積累，允許我們在微小、低功耗封裝中集成多種技術(shù)。例如，Maxim的MAX30101脈搏血氧儀和心率集成傳感器模塊就是一款超低功耗的可穿戴健身和健康應(yīng)用。器件尺寸極小、容易設(shè)計，滿足苛刻的上市時間要求，適用于要求加快可穿戴和健康產(chǎn)品上市時間的系統(tǒng)設(shè)計者。超低功耗方案提供完備的系統(tǒng)，節(jié)省空間，使移動及可穿戴設(shè)備的設(shè)計過程變得輕松。

能量采集和無線充電增強可穿戴設(shè)備實用性

　　除了集成更多傳感器和功能，第三代可穿戴設(shè)備還需要能在兩次充電之間使用許多天的時間。

　　為此，許多制造商都在尋找用于補充電池電量，甚至幫助給可穿戴設(shè)備充電的創(chuàng)新途徑，如能量采集和無線充電。這兩種技術(shù)的發(fā)展速度幾乎與可穿戴設(shè)備市場一樣快;前者使用包括光伏、熱電和振動發(fā)電機等技術(shù)來提供小而適用的電能水平，而后者可提取背景或直達 RF 波中存在的能量并將其轉(zhuǎn)化為電。這兩種技術(shù)都呈現(xiàn)出光明的前景，并且將來有可能在可穿戴設(shè)備市場上發(fā)揮重要作用。但目前最有可能的解決方案依然是可再充電的化學(xué)電池，這些電池盡管需要充電，但只有它們可以為采用無線連接的小型可穿戴設(shè)備提供其所需的能量密度。

　　到目前為止，可穿戴設(shè)備最廣泛使用的無線技術(shù)是藍牙，具體而言是最新的低能耗(Low Energy)藍牙技術(shù)。像開放標(biāo)準(zhǔn)無線協(xié)議的其他例子一樣，安全性也是藍牙規(guī)范不可缺少的組成部分，其最新版本(4.2)推出了一系列安全增強。然而，隨著可穿戴設(shè)備從運動跟蹤器發(fā)展成為醫(yī)學(xué)監(jiān)測器，對更高安全性的需求也在增加。對于分享敏感醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的解決方案，制造商和消費者對安全性都提出高要求，所以Dialog在其針對可穿戴設(shè)備技術(shù)的解決方案中采用了加密技術(shù)，確保數(shù)據(jù)即使在無線鏈路受到黑客入侵時仍然是安全的。

低功耗無線電單芯片系統(tǒng)可提供更好的用戶體驗

　　智能手環(huán)、手表等可穿戴產(chǎn)品如今仍是可穿戴設(shè)備中占比較大的產(chǎn)品。預(yù)期未來這類產(chǎn)品將會增加諸如支付服務(wù)等更多功能，更多不同類型的傳感器，工作待機時間更長，產(chǎn)品外形更小更輕巧。如今，可穿戴設(shè)備新添加如支付服務(wù)、定位追蹤、精度更高的活動追蹤、心率等有關(guān)健康數(shù)據(jù)等功能開始受到關(guān)注。除了運用手機、平板等作為硬件設(shè)備將運動數(shù)據(jù)上傳到云端界面外，將來穿戴設(shè)備也可通過網(wǎng)關(guān)路由器到云端服務(wù)，滿足行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用。

　　Nordic半導(dǎo)體致力于發(fā)展低功耗無線電單芯片系統(tǒng)。當(dāng)中最新第三代藍牙系列nRF52使用M4F 64MHz核，具備良好處理能力，附帶512kB閃存與64kB RAM的配置，可讓穿戴產(chǎn)品處理更復(fù)雜的運動、心率等傳感器算法，以及未來IPv6的數(shù)據(jù)包的處理。集成的NFC可使產(chǎn)品在藍牙配對時使用戶得到更安全簡單的操作。nRF52系列也會支持Bluetooth 5.0標(biāo)準(zhǔn)。同時，Nordic自主研發(fā)的藍牙協(xié)議棧S132 SoftDevice更能提升低功耗藍牙資料傳輸量，縮短穿戴設(shè)備資料上傳云端的時間，提供更良好的用戶體驗。

可穿戴設(shè)備需要低功耗和長續(xù)航時間

　　可穿戴設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的組成部分，它們與用戶的智能手機或平板電腦相連，由單芯鋰離子或鋰聚合物電池組，或者兩節(jié)堿性、鎳鎘或鎳氫電池供電。兩個主要的可穿戴設(shè)備類別是智能手表和健身跟蹤設(shè)備，前者如Apple Watch和三星Gear，后者如Fitbit Blaze和小米手環(huán)2。隨著可穿戴設(shè)備越來越流行，消費者關(guān)心其設(shè)備單次充電能使用多長時間。長電池續(xù)航時間是每個消費者在做出購買決定時最先考慮的因素之一。

　　硬件小型化、傳感器技術(shù)和人工智能算法領(lǐng)域的持續(xù)進展，最終將幫助把可穿戴設(shè)備帶到對抗糖尿病、心臟病和癌癥等慢性疾病的最前線。一項最新市場研究報告稱，這些技術(shù)進步將使可穿戴設(shè)備發(fā)展到這樣的水平——智能手表將能夠提前幾天警告配戴者注意中風(fēng)或心臟病發(fā)作的危險。同時，隨著消費者看到可穿戴設(shè)備對于監(jiān)測心率、卡路里消耗、睡眠模式、步行和鍛煉活動等的好處，現(xiàn)在的可穿戴設(shè)備有望繼續(xù)穩(wěn)步發(fā)展。

　　Intersil的創(chuàng)新自適應(yīng)脈沖頻率調(diào)制(PFM)IP和升壓-降壓穩(wěn)壓解決方案，解決了目前可穿戴設(shè)備設(shè)計中最具挑戰(zhàn)性的問題，包括實現(xiàn)對系統(tǒng)電源和外圍設(shè)備(如Wi-Fi、藍牙、內(nèi)存模塊和LCD面板)的高效電源管理。Intersil的升壓-降壓穩(wěn)壓器IC提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的效率、降壓與升壓模式間的平滑轉(zhuǎn)換和對大負載階躍的快速瞬態(tài)響應(yīng)——所有這些優(yōu)點對可穿戴設(shè)備制造商都極具吸引力。

運用休眠狀態(tài)降低可穿戴設(shè)備功耗

　　為了保證智能可穿戴終端更長的待機時間，可以讓設(shè)備或部分功能模塊在需要的情況下激活，而在其他大部分情況下處于耗電量極低的休眠狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下，芯片或功能模塊的電流水平保持在非常低的水平;而在激活狀態(tài)下，芯片或功能模塊的電流需要維持正常的功能。表1列舉了兩種常見智能穿戴電子設(shè)備的通信芯片的信號水平?？梢钥吹?，激活狀態(tài)下的電流可以達到休眠狀態(tài)下的幾萬甚至幾十萬倍!這是一個巨大的動態(tài)范圍。

　　為了更好地評估休眠模式下的電流/電壓大小，測量儀器只能以更高的精度才能滿足要求。這是一個測量難點——絕對幅度低。另一個難點是要在幾萬倍動態(tài)范圍的電流信號之間進行快速的動態(tài)切換。要對這種大動態(tài)范圍的切換進行測量，則給測量儀器提出了更高的挑戰(zhàn)。

　　綜合以上兩個難點，智能可穿戴電子設(shè)備對測量儀器的要求可以總結(jié)為：

　　1)儀器本身的噪聲低;2)大的動態(tài)范圍;3)在各個量程之間能無縫切換;4)大帶寬。

　　是德科技(原安捷倫電子測量事業(yè)部)各種精度級別的測試方案能幫助工程師滿足不同精度和帶寬要求。具有專利的無縫量程切換功能讓工程師能輕松面對超大動態(tài)范圍，觀察大信號的同時，也能洞察小信號的變化。?

IP

可穿戴產(chǎn)品對安全性需求越來越高

　　ARM整個生態(tài)系統(tǒng)都致力于在電池和散熱或是整個設(shè)備面積受限的情況下為消費者帶來更好的用戶體驗，提供更好的性能。這個是非常重要的。我們看到目前超過95%的可穿戴設(shè)備采用了ARM技術(shù)。

　　除此以外，我們發(fā)現(xiàn)可穿戴產(chǎn)品對安全性的需求越來越高。可穿戴設(shè)備采集了很多個人信息，比如運動信息、位置信息、個人醫(yī)療信息、支付信息等。所以，對于這些信息的數(shù)據(jù)保護非常重要，這會給消費者帶來非常好的用戶體驗。

　　我們也看到每個穿戴設(shè)備都有自己的安全機制。我們希望可以提供一些比較通用的解決方案，在整個API的層面，而不僅僅是在CPU的硬件部分。去年10月，我們也將TrustZone技術(shù)拓展至ARMv8-M。 TrustZone 技術(shù)為處理器分區(qū)提供系統(tǒng)范圍的安全方法，通過隔離硬件資源與軟件，創(chuàng)造一個“安全的”環(huán)境，抵御軟件攻擊。對于那些對于操作系統(tǒng)的安全(safety)和安全性(security)都有著嚴格要求的設(shè)備而言，TrustZone能夠在一個受到信任的環(huán)境里對安全性應(yīng)用進行隔離和執(zhí)行，其執(zhí)行優(yōu)先級高于在普通環(huán)境里的非安全性應(yīng)用。此外，我們的TrustZone安全附加中間件(Middleware)能夠向軟件公司提供附加價值。它可以移到不同的處理器上，這使得客戶在他們的商業(yè)模式或者是可支持的處理器上都有更多的彈性，讓他們同時可以處理更多的訂單。

　　另外，對于可穿戴來講，一直在線的連接是非常重要的。正如ARM為手機提供了一系列解決方案一樣，在可穿戴設(shè)備方面，ARM也提供了一系列技術(shù)，包括了Cortex-M、Cortex-A、GPU、藍牙解決方案等，有力地支持了可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新。

低功耗是可穿戴設(shè)備必備性能

　　在設(shè)計可穿戴SoC中，需要考慮的因素顯然依據(jù)具體應(yīng)用的不同而有巨大差別，但是不論什么應(yīng)用，將功耗降至最低是非常關(guān)鍵的。為了最大限度延長電池壽命，系統(tǒng)中的每一個因素的設(shè)計都應(yīng)考慮到低功耗的實現(xiàn)。

　　連接性是一個非常重要的因素，對于可穿戴設(shè)備，無線連接的種類基于應(yīng)用的不同而各不相同。此外，即使是同一個設(shè)備，也可能有多重功耗標(biāo)準(zhǔn)。對于可穿戴設(shè)備的控制可通過藍牙來實現(xiàn)，而這就要求BLE或傳統(tǒng)藍牙性能。可穿戴設(shè)備還可連接至Wi-Fi或LTE網(wǎng)絡(luò)。

　　設(shè)計師還需要考慮到需通過設(shè)備進行多少本地處理。即使是監(jiān)測設(shè)備，也不能通過云進行所有的決策。但這樣的設(shè)備主要是起到提供信息的作用，我們相信它將來也能具備一定的本地處理和決策性能。這也就意味著高性能低功耗的CPU是其中的關(guān)鍵因素。

　　在VR 頭盔這類產(chǎn)品中，其成功與否取決于高質(zhì)量的圖形性能，顯示是產(chǎn)品性能的重要組成部分。設(shè)計師需要性能極佳的GPU產(chǎn)品，例如Imagination公司的高端PowerVR GPU，其中包含下一代PowerVR Series8XT。對于具備顯示功能的可穿戴設(shè)備，例如智能手表，使用Imagination入門級PowerVR GPU，例如PowerVR 8XE系列GPU可幫助設(shè)計師降低設(shè)備實現(xiàn)相應(yīng)功能的功耗，并改善可穿戴設(shè)備中電池壽命部分。

　　最后一點，設(shè)計師在設(shè)計可穿戴設(shè)備的過程中需要強大的安全性能來保護數(shù)據(jù)和與之連接通信的網(wǎng)絡(luò)。

電池壽命、用戶界面以及wearalone發(fā)展趨勢

　　毫無疑問，可穿戴設(shè)備最重要的特性是電池使用壽命?？纱┐髟O(shè)備的小型電池通常為普通智能手機電池尺寸的十分之一，如果用于非?；镜幕顒油髱?，運作時間可以是數(shù)周，用于智能手表可能是數(shù)天(至多)，用于耳內(nèi)聽覺設(shè)備可能只有數(shù)小時。顯然，可穿戴產(chǎn)品要在大眾之中普及的一個主要障礙是電池壽命，太過頻繁的充電，可能導(dǎo)致用戶在外出時將設(shè)備拋之腦后。

　　用戶界面(UI)也十分重要，可穿戴產(chǎn)品尺寸小，大多數(shù)沒有觸摸屏或物理按鈕，其運作必需經(jīng)由其它形式的UI，比如語音激活(它正在成為最自然的無縫UI)、運動或手勢識別(搖、輕擊)，甚至將觸覺(振動、觸摸)用于用戶反饋。

　　可穿戴產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)一個主要發(fā)展趨勢是Wearalone的興起，或者“將你的智能手機留在家中”。Wearalone是始終連接的蜂窩連接可穿戴產(chǎn)品，甚至不需要與智能手機配對。Wearalone智能手表可以用于戶外活動，將云端音樂引導(dǎo)到無線頭戴耳機，無需手機即可回答呼叫，以及更多功能。因而，我們期待看到更多設(shè)備，不單采用短距藍牙和Wi-Fi，還采用蜂窩連接，具有全3G或LTE支持，或者更低帶寬LTE Cat-0和即將推出的NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)。

存儲

可穿戴設(shè)備對存儲方面的要求

　　可穿戴產(chǎn)品對存儲的需求正在顯著增長，并且對設(shè)計的多樣化要求也在與日俱增。低功耗、不斷增強的性能以及小巧的外形規(guī)格正加大對高級離散組件和多芯片封裝 (MCP)的需求。

　　離散組件：監(jiān)測類可穿戴設(shè)備大多以智能手機配件的形式出現(xiàn)。它們注重尺寸和電池續(xù)航效率;此外，作為智能手機的配件，它們不需要存儲很多本地數(shù)據(jù)，與音頻和視頻文件比起來，即使是一整天的健康和健身監(jiān)測數(shù)據(jù)也是微不足道的。由于可穿戴設(shè)備中的物理空間極為寶貴，因此，NOR 閃存憑借容量、芯片尺寸和低功耗成為了眾多此類設(shè)備的理想選擇。容量范圍在 1-256Mb 之間的 NOR 設(shè)備能夠在空間很小的地方使用，例如，晶圓級芯片尺寸封裝 (CSP)、2mmx3mm雙列扁平無引腳封裝 (DFN) 和具體視密度而定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)小外形集成電路封裝 (SOICx)。另一款非常適合滿足這種空間要求的存儲產(chǎn)品是串行外設(shè)接口 (SPI) NAND。由于可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計日漸復(fù)雜，對存儲產(chǎn)品的要求也隨之提高，設(shè)計師可能會認為有必要在維持較低的整體物料清單成本的基礎(chǔ)上增加額外的存儲容量。而SPI NAND 不僅具備串行 NOR 的優(yōu)勢(如引腳數(shù)較少、封裝尺寸更小)，還能提供更大的密度(1Gb 至 8Gb)，其價格也低于同等密度的串行 NOR。

　　多芯片封裝 (MCP)：MCP通常指內(nèi)含多種存儲類型的單個封裝。NOR、NAND 或 e.MMC 等非易失性存儲可與 PSRAM 或 LPDRAM 在單個 PoP(封裝體疊層)或 BGA(球柵陣列)封裝上堆疊，以節(jié)省 PCB 空間。例如，封裝了 64Mb NOR 和 32Mb PSRAM 的 MCP 尺寸為 6mmx4mm，而密度更高的 e.MCP 將 8GB e.MMC 和 8Gb LPDDR3 封裝在一起，其尺寸為 11.5mmx13mm。密度更高的 MCP 可提供相機和智能眼鏡等更高端可穿戴設(shè)備所需的性能。極度節(jié)省空間的 MCP 配置使用直接焊接在 SoC 上的 PoP 解決方案，將存儲的 PCB 空間要求降低至零。使用 MCP 解決方案的另一個優(yōu)勢是使存儲靠近 SoC，通過模塊快速集成，實現(xiàn)短程互聯(lián)(這能減少數(shù)據(jù)完整性問題)和加快產(chǎn)品上市時間。

　　參考文獻：

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第7頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。