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健康催生可穿戴多功能需求 东芝多款器件直面新机遇

2020-11-20
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可穿戴设备作为把多媒体、传感器和无线通信等技术嵌入人们的衣着或配件的设备,广泛用于娱乐、运动和医疗健康等领域,可支持手势和眼动操作等多种交互方式。作为消费电子业面临的又一个新发展机遇,可穿戴设备经历了从概念火爆到实际产品大量普及的过程之后,行业市场一直稳步成长。



据统计,2019年全球可穿戴技术产品市场的规模超过了500亿美元,是2014年的2倍以上,可以说可穿戴设备已成为过去5年来消费电子领域最成功的市场之一。



1 市场需求持续爆发


据IDC统计,2019年全球可穿戴设备出货量突破3亿部,同比增长超70%,虽然2020年全球受到了严重的新冠疫情影响,部分消费类电子产品的销售遇到非常大的挑战,但可穿戴设备的市场前景一直广为看好,并且从市场数据中得以证明。


调研机构IDC近日发布的2020年第一季度全球智能穿戴设备市场销售数据显示,全球智能穿戴设备出货量7260万部,同比增长29.7%,全球可穿戴市场规模呈现爆发式增长。


随着以中国为首的部分亚洲和欧洲国家疫情逐步得到控制,市场在二季度开始复苏,人们积攒的消费欲望也会得到进一步释放。


特别是由于疫情的影响,人们更加重视个人的健康管理,针对人体健康元素的监测功能在可穿戴设备中也会增加,这将是可穿戴设备的下一轮爆发机遇。


个人健康数据的随时、便捷的获取是可穿戴设备相比于传统医疗监测设备最大的优势所在。


在过去5年里,可穿戴设备最主要的增长点来自于智能手表、持续血糖监测系统(CGM)、助听器、耳机和AR(增强现实)、VR(虚拟现实)和MR(介导现实)。这次全球疫情带来的医疗资源紧缺的情况,促使很多用户对一些高级监测功能的家庭需求变得更加突出,例如心电图跟踪、睡眠呼吸暂停检测、心律失常检测和血氧跟踪等,这些无疑也会为可穿戴设备带来全新的机遇和挑战。


2020年第一季度,中国可穿戴设备市场主要呈现3个特点:

①耳机和成人手表逆势增长;

②消费者对价格的敏感度升高;

③多功能集成能力愈发重要。


特别是随着以蓝牙5.0等为代表的无线技术快速发展,以及可穿戴生态逐渐成熟,可穿戴设备正在进入崛起的起点。各厂商将在主打运动健康类的细分手表市场上纷纷跟进,以兼具良好体验和亲民价格的产品进一步挖掘市场潜力。同时,具有应用拓展功能的智能手表市场也在苹果等巨头厂商的推动下保持稳定增长。



2 多功能提出全新器件要求


低功耗和电池的续航能力无疑是可穿戴设备设计中重要的制约性因素,可靠性和小尺寸则是对可穿戴设备中元器件的另一个重要要求,特别是伴随着更多功能的融入,对器件的尺寸、可靠性和高能效都提出了全新的需求。



功能越来越复杂,对可穿戴设备的电路系统要求也变得更为严格,不仅续航能力要提升,各个功能唤醒设备也越来越多,因此电源管理和电源保护要求就越来越严格。


由于可穿戴设备的工作特性,经常会在唤醒和休眠中切换以确保功耗最优,因此每次激活都是对供电电路可靠性的一次挑战,这就要求对供电部分的保护要做得非常出色。


另一方面,复杂的工作环境,让可穿戴设备面临着极大的环境干扰的挑战,特别是重压、变形以及温度和潮湿环境对电路可能造成的短路和断路等问题,成为影响可穿戴设备的最大不确定因素之一。


据统计,目前可穿戴设备的故障问题中,外力损坏排名第1,内部电路的短路相关排名第2,充电口故障排名第3,由此可见可穿戴设备的电源设计和保护方面需要更多的关注。


相比于像MCU和SoC这样的主芯片,可穿戴设备对电源保护相关器件的要求更为苛刻,因为这些器件提供的功能必不可少,同时又不是系统设计在空间和功耗方面最主要的考量因素,因此选择最可靠又尺寸最优的电路保护相关器件就显得尤为重要。



3 东芝的解决方案


作为先进的功率器件供应商,东芝很早就针对空间要求苛刻的器件进行针对性的研发,并且可以提供多款可靠性好、尺寸小的供电保护器件。


3.1 负载开关


负载开关(Load Switch)是电路中提供多种功能的单元,包括一个输出MOSFET、驱动电路以及放电MOSFET,可以实现配电、上电排序和电源状态转换、降低漏电流、浪涌电流控制以及断电控制和电路保护等功能。它的存在可以确保整个供电电路和电池在所有充放电过程中的安全性。


东芝面向可穿戴设备的负载开关具有低压操作、低导通电阻和低静态电流消耗的特点,确保系统可靠性和长续航时间。


以TCK107AG为例,它结合了许多功能,例如浪涌电流限制、反向电流保护、过流保护、热关断和自动输出放电等在分立器件中很难实现的功能,且通过减少分立器件降低了系统设计难度和空间成本需求,还能提升系统的可靠性。采用超小型WCSP封装使底座面积小于1mm²,大幅节省电路板空间。它提供的最高输出电流为1A,非常适用于要求在低负载条件下降低功率的应用场合,满足绝大部分可穿戴设备的功率需求。TCK10xG系列具有广泛的工作电压范围(1.1V~5.5V),在有源操作过程中仅消耗0.2μA(最大值)。


除了这个系列之外,东芝还能根据设计的需求,提供更多参数的负载开关产品供客户选择,满足客户不同的电路设计需求。


3.2 超小封装MOSFET


新一代可穿戴设备不断突破消费电子技术的界限。智能手表、健身跟踪器和其他创新技术的演进需要微型化MOSFET,用以提供领先的性能和效率,从而实现越来越多的复杂功能。


东芝的MOSFET可以支持各种开关应用,并提供了广泛耐压范围的产品。东芝借助先进的沟槽工艺提供业界顶级的导通电阻,从而降低了系统功耗,而面向可穿戴应用的MOSFET重点突出小封装优势,东芝可以提供各种封装尺寸的产品满足不同的需求,其中,表贴封装的SSM3K56ACT N沟道和SSM3J56ACT P沟道MOSFET尺寸仅为1.0mm×0.6mm×0.38mm,特别适合各种可穿戴应用的设计需求。


3.3 LDO稳压器


可穿戴设备不仅要求系统功耗低,还经常面临充电的需求,因此,可穿戴设备用LDO稳压器作为电源IC也要求具有低消耗电流,以允许在低功耗和稳定的输出电压下长时间工作。


东芝的LDO产品借助高功率抑制比先进技术可以消除电源输入噪声,在负载突然变化时确保输出电压稳定,可以实现极低的功率损耗和静态电流。


东芝LDO产品性能优势比较


为了满足可穿戴设备的实际需求,东芝推出了具有快速瞬态响应和高纹波抑制比的“TCR3UM系列”LDO稳压器产品,采用通用型DFN4封装(1.0mm×1.0mm),使用先进的CMOS工艺实现了小型贴片式封装LDO稳压器与300mA输出(最大值)。TCR3UM系列产品帮助易受电压波动(如噪声)的传感器和CPU实现了更长时间的电池驱动和稳定的操作。它们还包括过热保护、过流保护和浪涌电流抑制等保护功能。该系列根据输出电压范围不同(0.8V~5.0V),设有36个型号的输出电压范围,客户可根据具体应用选择适合的产品。


DFN4 封装图


3.4 ESD、SBD和保护产品


除了上述产品之外,东芝在可穿戴设备电源保护方面还有更多值得关注的产品,比如传统的静电防护ESD相关产品DF2B7BSL,SBD二极管相关产品CES520,凭借小尺寸和高可靠性非常适合可穿戴产品的保护性应用。


而在新的保护方式上,eFuse IC具有高速电流中断功能,当电流过大时内置MOSFET会关闭。此外,它不会被单一过流破坏,可重复使用。它的优点在于可以结合各种保护功能,例如过压保护。该产品还可以有效地降低维护成本和维修恢复时间。


东芝最新的TCKE805xx系列可以提供高过流保护精度(±11%)和高过压钳位精度(±7%),并带有典型值为150ns的超快速热关断功能且输出电流可调(0.5A~5A),特别的,电压摆率可调功能使浪涌电流可以保持在非常低的水平。


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公司24,000名员工遍布世界各地,致力于实现产品价值的最大化。东芝电子元件及存储装置株式会社十分注重与客户的密切协作,旨在促进价值共创,共同开拓新市场,实现了超过7500亿日元(68亿美元)的年销售额。公司期望为世界各地的人们建设更加美好的未来。


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