健康催生可穿戴多功能需求 東芝多款器件直面新機遇

  作者:東芝電子元件(上海)有限公司 時間:2022-04-15來源:電子產品世界

可穿戴設備廣泛用于娛樂、運動和醫療健康等領域,作為把多媒體、傳感器和無線通信等技術嵌入人們的衣著或配件的設備,可支持手勢和眼動操作等多種交互方式。作為消費電子業面臨的又一個新發展機遇,可穿戴設備經歷了前些年從概念火爆到實際產品大量普及的過程之后,行業前景一直穩步成長。據統計,2019年全球可穿戴技術產品市場的規模超過了500億美元,是2014年的2倍以上,可以說可穿戴設備已成為過去5年來消費電子領域最成功的市場之一。

1   市場需求持續爆發

雖然2020年全球經歷了嚴重的新冠疫情影響,部分消費類電子產品的銷售遇到非常大的挑戰,但可穿戴設備的市場前景一直廣為看好,并且從市場數據中得以證明。調研機構IDC近日發布的2020年第一季度全球智能穿戴設備市場銷售數據顯示,全球智能穿戴設備出貨量7 260萬部,同比增長29.7%。IDC預測全球可穿戴設備出貨量突破3億部,同比增長超70%,全球可穿戴市場規模呈現爆發式增長。

隨著以中國為首的部分亞洲和歐洲國家疫情逐步得到控制,市場在二季度開始復蘇,人們積攢的消費欲望也會得到進一步釋放。特別是由于疫情的影響,人們更加重視個人的健康管理,針對人體健康元素的監測功能在可穿戴設備中也會增加,這將是可穿戴設備的下一輪爆發機遇。個人健康數據的隨時和便捷的獲取是可穿戴設備相比于傳統醫療監測設備最大的優勢所在。在過去5年里,可穿戴設備最主要的增長點來自于智能手表、持續血糖監測系統(CGM)、助聽器、耳機和AR(增強現實)、VR(虛擬現實)和MR(介導現實)。這次全球疫情帶來的醫療資源緊缺的情況,促使很多用戶對一些高級監測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、心律失常檢測和血氧跟蹤等,這些無疑會帶來可穿戴設備全新的機遇和挑戰。

2020年第一季度,中國可穿戴設備市場主要呈現3個特點:①耳機和成人手表逆勢增長;②消費者對價格的敏感度升高;③多功能集成能力愈發重要。特別是隨著以藍牙5.0等為代表的無線技術快速發展,以及可穿戴生態逐漸成熟,可穿戴設備正在進入崛起的起點。各廠商將在主打運動健康類的細分手表市場上紛紛跟進,以兼具良好體驗和親民價格的產品進一步挖掘市場潛力。同時,具有應用拓展功能的智能手表市場也在蘋果等巨頭廠商的推動下保持穩定增長。

2   多功能提出全新器件要求

低功耗和電池的續航能力無疑是可穿戴設備設計中重要制約性因素,可靠性和小尺寸則是對可穿戴設備中元器件的另一個重要要求,特別是伴隨著更多功能的融入,對器件的尺寸、可靠性和高能效都提出了全新的需求。

功能越來越復雜,對可穿戴設備的電路系統要求變得更為嚴格,不僅續航能力要提升,各個功能喚醒設備越來越多,電源管理和電源保護要求就越來越嚴格。由于可穿戴設備的工作特性,經常會在喚醒和休眠中切換以確保功耗最優,因此每次激活都是對供電電路可靠性的一次挑戰,這就要求對供電部分的保護要做得非常出色。另一方面,復雜的工作環境,讓可穿戴設備面臨著極大的工作環境干擾的挑戰,特別是面對重壓、變形以及溫度和潮濕環境的影響下對電路可能造成的短路和斷路等問題,成為影響可穿戴設備的最大不確定因素之一。據統計,目前可穿戴設備的故障問題中,外力損壞排名第1,內部電路的短路相關排名第2,充電口故障排名第3,由此可見可穿戴設備的電源設計和保護方面需要更多的關注。

相比于像MCU和SoC這樣的主芯片,可穿戴設備對電源保護相關器件的要求更為苛刻,因為這些器件提供的功能必不可少,同時又不是系統設計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的電路保護相關器件就顯得尤為重要。

3   東芝的解決方案

作為先進的電源器件供應商,東芝很早就針對空間要求苛刻的器件進行針對性的研發,并且可以提供多款可靠性好、尺寸小的供電保護器件。

3.1 負載開關

負載開關(Load Switch)是電路中提供多種功能的單元,包括1個輸出MOSFET、驅動電路以及放電MOSFET,可以實現配電、上電排序和電源狀態轉換、降低漏電流、浪涌電流控制以及斷電控制和電路保護等功能。它的存在可以保護整個供電電路和電池在所有充放電過程中的安全性。東芝面向可穿戴設備的負載開關具有低壓操作、低導通電阻和低靜態電流消耗的特點,確保系統可靠性和長續航時間。

以TCK107AG為例,它結合了許多功能,例如浪涌電流限制、反向電流保護、過電流保護、熱關斷和自動輸出放電等在分立器件中很難實現的功能,且通過減少分立器件降低了系統設計難度和空間成本需求,還能提升系統的可靠性。采用超小型WCSP封裝使底座面積小于1 mm2,大幅節省電路板空間。它提供的最高輸出電流為1 A,非常適用于要求在低負載條件下實現功率節省的應用場合,滿足絕大部分可穿戴設備的功率需求。TCK10xG系列具有廣泛的工作電壓范圍(1.1~5.5 V),在有源操作過程中僅消耗0.2 μA(最大值)。除了這個系列之外,東芝還能根據設計的需求,提供更多參數的負載開關產品供客戶選擇,滿足客戶不同的電路設計需求。

3.2 超小封裝MOSFET

新一代可穿戴設備不斷突破消費電子技術的界限。智能手表、健身跟蹤器和其他創新技術的演進需要微型化MOSFET,用以提供領先的性能和效率,從而實現越來越多的復雜功能。

東芝的MOSFET可以支持各種開關應用,并提供了廣泛耐壓范圍的產品。東芝借助先進的溝槽工藝提供業界頂級的導通電阻,從而降低了系統功耗,而面向可穿戴應用的MOSFET重點突出小封裝優勢,東芝可以提供各種封裝尺寸的產品滿足不同的需求,其中,表貼封裝的SSM3K56ACT N溝道和SSM3J56ACTP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用的設計需求。

3.3 LDO穩壓器

可穿戴設備不僅要求系統功耗低,還經常面臨充電的需求,因此,可穿戴設備用LDO穩壓器作為電源IC也要求具有低消耗電流,以允許在低功耗和穩定的輸出電壓下長時間工作。

東芝的LDO產品借助高功率抑制比先進技術可以消除電源輸入噪聲,在負載突然變化時確保輸出電壓穩定,可以實現極低的功率損耗和靜態電流。為了滿足可穿戴設備的實際需求,東芝推出了具有快速瞬態響應和高紋波抑制比的”TCR3UM系列”LDO穩壓器產品(參考圖1),采用通用型DFN4封裝(1.0 mm×1.0 mm)(如圖2),使用最先進的CMOS工藝實現了小型貼片式封裝LDO穩壓器與300mA輸出(最大值)。TCR3UM系列產品幫助易受電壓波動(如噪聲)的傳感器和CPU實現了更長時間的電池驅動和穩定的操作,還包括過熱保護、過流保護和浪涌電流抑制等保護功能。該系列根據輸出電壓范圍不同(0.8~5.0 V),設有36個型號的輸出電壓范圍為,客戶可根據具體應用選擇適合的產品。

圖1 東芝LDO產品性能優勢比較

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圖2 DFN4 封裝圖

3.4 ESD、SBD和保護產品

除了上述產品之外,東芝在可穿戴設備電源保護方面還有更多產品值得關注,例如傳統的靜電防護ESD相關產品DF2B7BSL,SBD二極管相關產品CES520,憑借小尺寸和高可靠性非常適合可穿戴產品的保護性應用。

而在新的保護方式上,eFuse IC具有高速電流中斷功能,當電流過大時內置MOSFET會關閉。此外,它不會被單一過電流破壞,可重復使用。它的優點在于可以結合各種保護功能,例如過電壓保護。該產品還可以有效地降低維護成本和維修恢復時間。

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

(本文來源于《電子產品世界》雜志2020年9月期)

關鍵詞: 202009 MOSFET

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