健康催生可穿戴多功能需求

可穿戴設(shè)備廣泛用于娛樂(lè)、運(yùn)動(dòng)和醫(yī)療健康等領(lǐng)域，作為把多媒體、傳感器和無(wú)線通信等技術(shù)嵌入人們的衣著或配件的設(shè)備，可支持手勢(shì)和眼動(dòng)操作等多種交互方式。作為消費(fèi)電子業(yè)面臨的又一個(gè)新發(fā)展機(jī)遇，可穿戴設(shè)備經(jīng)歷了前些年從概念火爆到實(shí)際產(chǎn)品大量普及的過(guò)程之后，行業(yè)前景一直穩(wěn)步成長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全球可穿戴技術(shù)產(chǎn)品市場(chǎng)的規(guī)模超過(guò)了500億美元，是2014年的2倍以上，可以說(shuō)可穿戴設(shè)備已成為過(guò)去5年來(lái)消費(fèi)電子領(lǐng)域最成功的市場(chǎng)之一。

1   市場(chǎng)需求持續(xù)爆發(fā)

雖然2020年全球經(jīng)歷了嚴(yán)重的新冠疫情影響，部分消費(fèi)類電子產(chǎn)品的銷售遇到非常大的挑戰(zhàn)，但可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)前景一直廣為看好，并且從市場(chǎng)數(shù)據(jù)中得以證明。調(diào)研機(jī)構(gòu)IDC近日發(fā)布的2020年第一季度全球智能穿戴設(shè)備市場(chǎng)銷售數(shù)據(jù)顯示，全球智能穿戴設(shè)備出貨量7 260萬(wàn)部，同比增長(zhǎng)29.7%。IDC預(yù)測(cè)全球可穿戴設(shè)備出貨量突破3億部，同比增長(zhǎng)超70%，全球可穿戴市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

隨著以中國(guó)為首的部分亞洲和歐洲國(guó)家疫情逐步得到控制，市場(chǎng)在二季度開始復(fù)蘇，人們積攢的消費(fèi)欲望也會(huì)得到進(jìn)一步釋放。特別是由于疫情的影響，人們更加重視個(gè)人的健康管理，針對(duì)人體健康元素的監(jiān)測(cè)功能在可穿戴設(shè)備中也會(huì)增加，這將是可穿戴設(shè)備的下一輪爆發(fā)機(jī)遇。個(gè)人健康數(shù)據(jù)的隨時(shí)和便捷的獲取是可穿戴設(shè)備相比于傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備最大的優(yōu)勢(shì)所在。在過(guò)去5年里，可穿戴設(shè)備最主要的增長(zhǎng)點(diǎn)來(lái)自于智能手表、持續(xù)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CGM）、助聽(tīng)器、耳機(jī)和AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）和MR（介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)）。這次全球疫情帶來(lái)的醫(yī)療資源緊缺的情況，促使很多用戶對(duì)一些高級(jí)監(jiān)測(cè)功能的家庭需求變得更加突出，例如心電圖跟蹤、睡眠呼吸暫停檢測(cè)、心律失常檢測(cè)和血氧跟蹤等，這些無(wú)疑會(huì)帶來(lái)可穿戴設(shè)備全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2020年第一季度，中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)主要呈現(xiàn)3個(gè)特點(diǎn)：

①耳機(jī)和成人手表逆勢(shì)增長(zhǎng)；

②消費(fèi)者對(duì)價(jià)格的敏感度升高；

③多功能集成能力愈發(fā)重要。

特別是隨著以藍(lán)牙5.0等為代表的無(wú)線技術(shù)快速發(fā)展，以及可穿戴生態(tài)逐漸成熟，可穿戴設(shè)備正在進(jìn)入崛起的起點(diǎn)。各廠商將在主打運(yùn)動(dòng)健康類的細(xì)分手表市場(chǎng)上紛紛跟進(jìn)，以兼具良好體驗(yàn)和親民價(jià)格的產(chǎn)品進(jìn)一步挖掘市場(chǎng)潛力。同時(shí)，具有應(yīng)用拓展功能的智能手表市場(chǎng)也在蘋果等巨頭廠商的推動(dòng)下保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。

2   多功能提出全新器件要求

低功耗和電池的續(xù)航能力無(wú)疑是可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)中重要制約性因素，可靠性和小尺寸則是對(duì)可穿戴設(shè)備中元器件的另一個(gè)重要要求，特別是伴隨著更多功能的融入，對(duì)器件的尺寸、可靠性和高能效都提出了全新的需求。

功能越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)可穿戴設(shè)備的電路系統(tǒng)要求變得更為嚴(yán)格，不僅續(xù)航能力要提升，各個(gè)功能喚醒設(shè)備越來(lái)越多，電源管理和電源保護(hù)要求就越來(lái)越嚴(yán)格。由于可穿戴設(shè)備的工作特性，經(jīng)常會(huì)在喚醒和休眠中切換以確保功耗最優(yōu)，因此每次激活都是對(duì)供電電路可靠性的一次挑戰(zhàn)，這就要求對(duì)供電部分的保護(hù)要做得非常出色。另一方面，復(fù)雜的工作環(huán)境，讓可穿戴設(shè)備面臨著極大的工作環(huán)境干擾的挑戰(zhàn)，特別是面對(duì)重壓、變形以及溫度和潮濕環(huán)境的影響下對(duì)電路可能造成的短路和斷路等問(wèn)題，成為影響可穿戴設(shè)備的最大不確定因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前可穿戴設(shè)備的故障問(wèn)題中，外力損壞排名第1，內(nèi)部電路的短路相關(guān)排名第2，充電口故障排名第3，由此可見(jiàn)可穿戴設(shè)備的電源設(shè)計(jì)和保護(hù)方面需要更多的關(guān)注。

相比于像MCU和SoC這樣的主芯片，可穿戴設(shè)備對(duì)電源保護(hù)相關(guān)器件的要求更為苛刻，因?yàn)檫@些器件提供的功能必不可少，同時(shí)又不是系統(tǒng)設(shè)計(jì)在空間和功耗方面最主要的考量因素，因此選擇最可靠又尺寸最優(yōu)的電路保護(hù)相關(guān)器件就顯得尤為重要。

3 東芝的解決方案

作為先進(jìn)的電源器件供應(yīng)商，東芝很早就針對(duì)空間要求苛刻的器件進(jìn)行針對(duì)性的研發(fā)，并且可以提供多款可靠性好、尺寸小的供電保護(hù)器件。

3.1 負(fù)載開關(guān)

負(fù)載開關(guān)（Load Switch）是電路中提供多種功能的單元，包括1個(gè)輸出MOSFET、驅(qū)動(dòng)電路以及放電MOSFET，可以實(shí)現(xiàn)配電、上電排序和電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換、降低漏電流、浪涌電流控制以及斷電控制和電路保護(hù)等功能。它的存在可以保護(hù)整個(gè)供電電路和電池在所有充放電過(guò)程中的安全性。東芝面向可穿戴設(shè)備的負(fù)載開關(guān)具有低壓操作、低導(dǎo)通電阻和低靜態(tài)電流消耗的特點(diǎn)，確保系統(tǒng)可靠性和長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。

以TCK107AG為例，它結(jié)合了許多功能，例如浪涌電流限制、反向電流保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、熱關(guān)斷和自動(dòng)輸出放電等在分立器件中很難實(shí)現(xiàn)的功能，且通過(guò)減少分立器件降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度和空間成本需求，還能提升系統(tǒng)的可靠性。采用超小型WCSP封裝使底座面積小于1 mm²，大幅節(jié)省電路板空間。它提供的最高輸出電流為1 A，非常適用于要求在低負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)功率節(jié)省的應(yīng)用場(chǎng)合，滿足絕大部分可穿戴設(shè)備的功率需求。TCK10xG系列具有廣泛的工作電壓范圍（1.1~5.5 V），在有源操作過(guò)程中僅消耗0.2 μA（最大值）。除了這個(gè)系列之外，東芝還能根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，提供更多參數(shù)的負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品供客戶選擇，滿足客戶不同的電路設(shè)計(jì)需求。

3.2 超小封裝MOSFET

新一代可穿戴設(shè)備不斷突破消費(fèi)電子技術(shù)的界限。智能手表、健身跟蹤器和其他創(chuàng)新技術(shù)的演進(jìn)需要微型化MOSFET，用以提供領(lǐng)先的性能和效率，從而實(shí)現(xiàn)越來(lái)越多的復(fù)雜功能。

東芝的MOSFET可以支持各種開關(guān)應(yīng)用，并提供了廣泛耐壓范圍的產(chǎn)品。東芝借助先進(jìn)的溝槽工藝提供業(yè)界頂級(jí)的導(dǎo)通電阻，從而降低了系統(tǒng)功耗，而面向可穿戴應(yīng)用的MOSFET重點(diǎn)突出小封裝優(yōu)勢(shì)，東芝可以提供各種封裝尺寸的產(chǎn)品滿足不同的需求，其中，表貼封裝的SSM3K56ACT N溝道和SSM3J56ACT P溝道MOSFET尺寸僅為1.0 mm×0.6 mm×0.38 mm，特別適合各種可穿戴應(yīng)用的設(shè)計(jì)需求。

圖1 東芝LDO產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)比較

3.3 LDO穩(wěn)壓器

可穿戴設(shè)備不僅要求系統(tǒng)功耗低，還經(jīng)常面臨充電的需求，因此，可穿戴設(shè)備用LDO穩(wěn)壓器作為電源IC也要求具有低消耗電流，以允許在低功耗和穩(wěn)定的輸出電壓下長(zhǎng)時(shí)間工作。

東芝的LDO產(chǎn)品借助高功率抑制比先進(jìn)技術(shù)可以消除電源輸入噪聲，在負(fù)載突然變化時(shí)確保輸出電壓穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)極低的功率損耗和靜態(tài)電流。為了滿足可穿戴設(shè)備的實(shí)際需求，東芝推出了具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和高紋波抑制比的"TCR3UM系列”LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)品（參考圖1），采用通用型DFN4封裝（1.0 mm×1.0 mm）（如圖2），使用最先進(jìn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了小型貼片式封裝LDO穩(wěn)壓器與300 mA輸出（最大值）。TCR3UM系列產(chǎn)品幫助易受電壓波動(dòng)（如噪聲）的傳感器和CPU實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)時(shí)間的電池驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定的操作，還包括過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和浪涌電流抑制等保護(hù)功能。該系列根據(jù)輸出電壓范圍不同（0.8~5.0 V），設(shè)有36個(gè)型號(hào)的輸出電壓范圍為，客戶可根據(jù)具體應(yīng)用選擇適合的產(chǎn)品。

圖2 DFN4 封裝圖

3.4 ESD、SBD和保護(hù)產(chǎn)品

除了上述產(chǎn)品之外，東芝在可穿戴設(shè)備電源保護(hù)方面還有更多產(chǎn)品值得關(guān)注，例如傳統(tǒng)的靜電防護(hù)ESD相關(guān)產(chǎn)品DF2B7BSL，SBD二極管相關(guān)產(chǎn)品CES520，憑借小尺寸和高可靠性非常適合可穿戴產(chǎn)品的保護(hù)性應(yīng)用。

而在新的保護(hù)方式上，eFuse IC具有高速電流中斷功能，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)內(nèi)置MOSFET會(huì)關(guān)閉。此外，它不會(huì)被單一過(guò)電流破壞，可重復(fù)使用。它的優(yōu)點(diǎn)在于可以結(jié)合各種保護(hù)功能，例如過(guò)電壓保護(hù)。該產(chǎn)品還可以有效地降低維護(hù)成本和維修恢復(fù)時(shí)間。

東芝最新的TCKE805xx 系列可以提供高過(guò)流保護(hù)的精度（±11%）和高過(guò)壓鉗位精度（±7%），并帶有典型值為150 ns的超快速熱關(guān)斷功能，且輸出電流可調(diào)（0.5~5 A），特別的，電壓壓擺率可調(diào)功能使浪涌電流可以保持在非常低的水平。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）