??? 在房屋市場中,有大坪數的豪宅、三房兩廳的一般住宅、注重機能的二房一廳的小宅、亦有為個人打造的套房等等產品,主打不同的客戶族群。若拿房屋大小來比喻個人用3C產品的話,電競玩家的電腦就好比豪宅,筆電猶如一般住宅,平板電腦可比喻為小宅,而手機則如同套房般,擁有功能齊全的個人空間。
那么穿戴式裝置呢?以智慧手表為例,由于體積比智慧型手機更小,猶如比套房還更小的「微房」,這種2~3坪小房間對室內設計師來說,要發揮出如同套房般的機能,可說是極大的考驗;而穿戴式裝置對產品設計師而言,也是同樣面臨極大的挑戰。
在寸土寸金的穿戴式裝置內,需高度整合的元器件才行。圖片來源:ShimmerSensing
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軟板(上)、螢幕(中)、電池(下)的可撓式設計,將成穿戴式裝置主流。圖片來源:Nike+/Samsung/輝能
ARM、x86、MIPS架構CPU廠商的穿戴式系統開發平臺。圖片來源:Freescale/Intel/Ingenic
因應穿戴式裝置市場興起,電子元件供應商提供低功耗、高整合的元件解決方案,透過多合一、堆疊式的晶片設計,以及新一代布線技術,讓研發工程師在有限的穿戴式裝置空間下,也能發揮出極大的坪效。
穿戴式電路元件解決方案:微縮、可撓
藉由奈米制程科技,晶片可以體積再微縮,元件也可以更節省空間。如ROHM就提供0.4x0.2mm以下面積的電阻、二極體(RASMID系列)等超微細主被動元件,讓PCB Layout(電路布線)更加節省空間。
而穿戴式裝置依照產品特性,必須具備可撓曲(Flexible)的需求,不管是PCB、螢幕、甚至電池,能做到撓曲的話,產品就不會用起來硬梆梆。在PCB的設計上,硬板主機板必須采用雷射鉆孔制程的HDI(高密度互連)板,避免機械鉆孔而浪費PCB面積,若是面積較小的布線,就得采用軟板(Flexible Print Circuit;FPC)。例如Nike+ FuelBand、Jawbone Up都是采用軟板設計。
在顯示螢幕上,也有可撓式的設計,例如Samsung Gear Fit采自家YOUM可撓式OLED顯示技術。而LG G Flex手機采自家可撓式POLED顯示技術與可撓式電池,但似乎沒運用到其G Watch產品。
至于在電池部分,輝能科技(ProLogium)推出的FLCB (超薄軟板鋰陶瓷電池),已于于COMPUTEX 2014首度公開,具備超薄(0.32~0.36mm)、可撓曲(撓曲半徑視電池長度不同約15~17mm),彎曲后再平展不產生皺折、超安全(采用鋰陶瓷、類固態電解質,就算彎折、撞擊、穿刺、撕裂或火燒都不會起火、爆炸)等特性,將成為穿戴式電子的最佳電池解決方案,適合嵌入表帶。
無線通訊晶片競相推出多功能整合方案
至于在無線晶片元件部分,因應低功耗藍牙4.0(BLE,或Bluetooth Smart)的出現,加上無線充電技術的推出,一些無線傳輸晶片廠商,使原本只內建基頻處理器(BBP)和數位訊號處理器(DSP)的藍牙/Wi-Fi晶片也整合了許多功能。
例如Dialog SmartBond DA14580,就同時提供藍牙4.0和4.1的規格,并內建32位元ARM Cortex-M0 MCU,搭配各式感應器,可為藍牙周邊提供更多的應用,包含健身、醫療等感測領域。
而Nordic nRF51822則是整合BLE,搭配其S120八充介面的低能耗核心角色SoftDevice,可支援A4WP無線充電方案,提供同時為八組藍牙周邊充電的能力。而Broadcom近期也發表BCM59350電源晶片(同時支援A4WP、PMA、WPC等三種無線充電標準),搭配其WICED的藍牙/Wi-Fi SoC平臺,可以提供無線充電能力。
許多透過有線充電的產品,都必須開孔(microUSB)或設計充電接觸點(pad),對于有防水需求或一體成形的穿戴式裝置,似乎不夠完美。因此內建無線充電的元件,可讓產品改以內建線圈的方式,來取代傳統開孔的做法;例如Smarty Ring智能手環,就是采用Nordic的解決方案,來達到省電、無線充電的目的。
系統晶片平臺(ARM、x86、MIPS)搶攻穿戴式商機
在穿戴式系統架構部分,目前市場以ARM架構的晶片供應商為大宗,包括Actel、Analog、Atmel、Cypress、Energy Micro、Freescale、Fujitsu、Infineon、Holtek(盛群)、NXP、ST、TI、Toshiba等等,都推出超低功耗的MCU(Micro-Controller Unit)系列,采用ARM Cortex-M3或M4系列架構,執行時脈大約在200MHz以下,并支援睡眠模式,讓僅須微安培(32 μW/MHz)的電力耗用成為可能。
而在Cortex-M0+部分,其具備超低11.21 μW/MHz能效,搭配LPDDR2/3、NAND Flash快閃記憶體,以及無線傳輸等元件,讓系統工程師可搭配其專屬的硬體開發平臺,并支援輕量級Linux、RTOS等簡易型作業系統,來實現長時間感測需求。
Freescale也推出其專屬開發平臺「Freedom」,面積81x53mm(約為信用卡大小),適合開發人員研發產品之用。
MCU功耗低,可以開發以感測為主的穿戴式產品,例如智慧手表,就有Sony Smartwatch SW2、Qualcomm Toq、Pebble、AGENT smartwatch、Kreyos Meteor等等。而智慧手環,就有Samsung Gear Fit、Sony Smartband SWR10、Nike+ FuelBand、Jawbone UP、Fitbit Flex等等。
而高階的ARM Cortex-A系列架構的AP(應用處理器),則以雙核心1GHz,并支援Linux、Android、Android Wear、Tizen、Windows Phone等作業系統平臺。
知名供應商有Qualcomm、Broadcom、Samsung、NVIDIA、ST、TI、Mediatek(聯發科)…等等,主要應用在手機、平板等行動裝置平臺,亦有廠商將其體積微縮,拿來應用在穿戴式裝置,像是智慧眼鏡、高階智慧手表、電話手表…等等。例如Google Glass、Samsung Gear 2/Neo、Omate TrueSmart、Neptune Pine、i’m Watch、映趣inWatch Z等等。
在x86陣營部分,Intel在CES 2014發表了僅SD記憶卡大小(32x24x2.1mm)的超微型電腦系統「Edison」,內建22奈米雙核心、低功耗的Quark SoC(系統單晶片),為x86架構,時脈為400MHz,采用LPDDR2記憶體、NAND Flash快閃記憶體等元件,同時內建Wi-Fi、藍牙4.0無線通訊模組,與彈性擴充的I/O功能。
在軟體上,可支援Linux作業系統與Wolfram的Mathematica、Alpha(科學語言、知識型計算引擎),亦可自行連上專屬的App Store。
為了鼓勵開發者投入穿戴式與物聯網產品的研發行列,Intel還示范了與合作廠商共同開發的「Nursery 2.0」托嬰概念產品,嬰兒穿上這款智慧衣服,其內建的感應器可以隨時將嬰兒的體溫與心情,以無線方式傳送到其他產品以顯示出來。另一款智慧耳機(Smart Earbud),內建感測器能偵測脈膊與心跳,搭配其專屬App還可以可設定依照心跳的快慢,來幫你選快慢歌。
為提升效能,3月底時Intel宣布再推出Edison的升級版,采用Silvermont架構的雙核心Atom CPU,時脈500MHz,搭配一顆可處理超過30 I/O的MCU,來符合市場需求,然而長與寬各增加1mm,比SD卡稍微大約7.5%,可說是世界上最小的x86電腦,作業系統可支援Linux、Android、Windows等平臺。
至于在MIPS陣營部分,Imagination Technologies與大陸北京君正(Ingenic)也于2014年4月發表其全新的Newton平臺,采用自家雙核JZ4775 1GHz CPU,其XBurst核心可相容于MIPS32、PowerVR與Ensigma等硬體架構,可使用LPDDR、Flash記憶體,并支援Wi-Fi、藍牙、NFC等無線通訊功能,并有各種I/O連接各式感應器,在軟體上可相容于Linux、Android、Android Wear平臺。
Newton主打低功耗、高性能的穿戴式平臺,尺寸僅為38 x 22 x 3mm(稍比SD卡大9%的面積),待機功耗<4mW,最低執行功耗僅80mW,最高平均運行功耗<260mW,使續航力達30小時以上。目前已知Geak Watch(果殼智能手表)與智器Z Watch,皆是采用其CPU平臺來設計。
關鍵字:微妙維效 穿戴裝置微型化
引用地址:微妙維效 穿戴裝置微型化元件與系統技術
那么穿戴式裝置呢?以智慧手表為例,由于體積比智慧型手機更小,猶如比套房還更小的「微房」,這種2~3坪小房間對室內設計師來說,要發揮出如同套房般的機能,可說是極大的考驗;而穿戴式裝置對產品設計師而言,也是同樣面臨極大的挑戰。
在寸土寸金的穿戴式裝置內,需高度整合的元器件才行。圖片來源:ShimmerSensing
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軟板(上)、螢幕(中)、電池(下)的可撓式設計,將成穿戴式裝置主流。圖片來源:Nike+/Samsung/輝能
ARM、x86、MIPS架構CPU廠商的穿戴式系統開發平臺。圖片來源:Freescale/Intel/Ingenic
因應穿戴式裝置市場興起,電子元件供應商提供低功耗、高整合的元件解決方案,透過多合一、堆疊式的晶片設計,以及新一代布線技術,讓研發工程師在有限的穿戴式裝置空間下,也能發揮出極大的坪效。
穿戴式電路元件解決方案:微縮、可撓
藉由奈米制程科技,晶片可以體積再微縮,元件也可以更節省空間。如ROHM就提供0.4x0.2mm以下面積的電阻、二極體(RASMID系列)等超微細主被動元件,讓PCB Layout(電路布線)更加節省空間。
而穿戴式裝置依照產品特性,必須具備可撓曲(Flexible)的需求,不管是PCB、螢幕、甚至電池,能做到撓曲的話,產品就不會用起來硬梆梆。在PCB的設計上,硬板主機板必須采用雷射鉆孔制程的HDI(高密度互連)板,避免機械鉆孔而浪費PCB面積,若是面積較小的布線,就得采用軟板(Flexible Print Circuit;FPC)。例如Nike+ FuelBand、Jawbone Up都是采用軟板設計。
在顯示螢幕上,也有可撓式的設計,例如Samsung Gear Fit采自家YOUM可撓式OLED顯示技術。而LG G Flex手機采自家可撓式POLED顯示技術與可撓式電池,但似乎沒運用到其G Watch產品。
至于在電池部分,輝能科技(ProLogium)推出的FLCB (超薄軟板鋰陶瓷電池),已于于COMPUTEX 2014首度公開,具備超薄(0.32~0.36mm)、可撓曲(撓曲半徑視電池長度不同約15~17mm),彎曲后再平展不產生皺折、超安全(采用鋰陶瓷、類固態電解質,就算彎折、撞擊、穿刺、撕裂或火燒都不會起火、爆炸)等特性,將成為穿戴式電子的最佳電池解決方案,適合嵌入表帶。
無線通訊晶片競相推出多功能整合方案
至于在無線晶片元件部分,因應低功耗藍牙4.0(BLE,或Bluetooth Smart)的出現,加上無線充電技術的推出,一些無線傳輸晶片廠商,使原本只內建基頻處理器(BBP)和數位訊號處理器(DSP)的藍牙/Wi-Fi晶片也整合了許多功能。
例如Dialog SmartBond DA14580,就同時提供藍牙4.0和4.1的規格,并內建32位元ARM Cortex-M0 MCU,搭配各式感應器,可為藍牙周邊提供更多的應用,包含健身、醫療等感測領域。
而Nordic nRF51822則是整合BLE,搭配其S120八充介面的低能耗核心角色SoftDevice,可支援A4WP無線充電方案,提供同時為八組藍牙周邊充電的能力。而Broadcom近期也發表BCM59350電源晶片(同時支援A4WP、PMA、WPC等三種無線充電標準),搭配其WICED的藍牙/Wi-Fi SoC平臺,可以提供無線充電能力。
許多透過有線充電的產品,都必須開孔(microUSB)或設計充電接觸點(pad),對于有防水需求或一體成形的穿戴式裝置,似乎不夠完美。因此內建無線充電的元件,可讓產品改以內建線圈的方式,來取代傳統開孔的做法;例如Smarty Ring智能手環,就是采用Nordic的解決方案,來達到省電、無線充電的目的。
系統晶片平臺(ARM、x86、MIPS)搶攻穿戴式商機
在穿戴式系統架構部分,目前市場以ARM架構的晶片供應商為大宗,包括Actel、Analog、Atmel、Cypress、Energy Micro、Freescale、Fujitsu、Infineon、Holtek(盛群)、NXP、ST、TI、Toshiba等等,都推出超低功耗的MCU(Micro-Controller Unit)系列,采用ARM Cortex-M3或M4系列架構,執行時脈大約在200MHz以下,并支援睡眠模式,讓僅須微安培(32 μW/MHz)的電力耗用成為可能。
而在Cortex-M0+部分,其具備超低11.21 μW/MHz能效,搭配LPDDR2/3、NAND Flash快閃記憶體,以及無線傳輸等元件,讓系統工程師可搭配其專屬的硬體開發平臺,并支援輕量級Linux、RTOS等簡易型作業系統,來實現長時間感測需求。
Freescale也推出其專屬開發平臺「Freedom」,面積81x53mm(約為信用卡大小),適合開發人員研發產品之用。
MCU功耗低,可以開發以感測為主的穿戴式產品,例如智慧手表,就有Sony Smartwatch SW2、Qualcomm Toq、Pebble、AGENT smartwatch、Kreyos Meteor等等。而智慧手環,就有Samsung Gear Fit、Sony Smartband SWR10、Nike+ FuelBand、Jawbone UP、Fitbit Flex等等。
而高階的ARM Cortex-A系列架構的AP(應用處理器),則以雙核心1GHz,并支援Linux、Android、Android Wear、Tizen、Windows Phone等作業系統平臺。
知名供應商有Qualcomm、Broadcom、Samsung、NVIDIA、ST、TI、Mediatek(聯發科)…等等,主要應用在手機、平板等行動裝置平臺,亦有廠商將其體積微縮,拿來應用在穿戴式裝置,像是智慧眼鏡、高階智慧手表、電話手表…等等。例如Google Glass、Samsung Gear 2/Neo、Omate TrueSmart、Neptune Pine、i’m Watch、映趣inWatch Z等等。
在x86陣營部分,Intel在CES 2014發表了僅SD記憶卡大小(32x24x2.1mm)的超微型電腦系統「Edison」,內建22奈米雙核心、低功耗的Quark SoC(系統單晶片),為x86架構,時脈為400MHz,采用LPDDR2記憶體、NAND Flash快閃記憶體等元件,同時內建Wi-Fi、藍牙4.0無線通訊模組,與彈性擴充的I/O功能。
在軟體上,可支援Linux作業系統與Wolfram的Mathematica、Alpha(科學語言、知識型計算引擎),亦可自行連上專屬的App Store。
為了鼓勵開發者投入穿戴式與物聯網產品的研發行列,Intel還示范了與合作廠商共同開發的「Nursery 2.0」托嬰概念產品,嬰兒穿上這款智慧衣服,其內建的感應器可以隨時將嬰兒的體溫與心情,以無線方式傳送到其他產品以顯示出來。另一款智慧耳機(Smart Earbud),內建感測器能偵測脈膊與心跳,搭配其專屬App還可以可設定依照心跳的快慢,來幫你選快慢歌。
為提升效能,3月底時Intel宣布再推出Edison的升級版,采用Silvermont架構的雙核心Atom CPU,時脈500MHz,搭配一顆可處理超過30 I/O的MCU,來符合市場需求,然而長與寬各增加1mm,比SD卡稍微大約7.5%,可說是世界上最小的x86電腦,作業系統可支援Linux、Android、Windows等平臺。
至于在MIPS陣營部分,Imagination Technologies與大陸北京君正(Ingenic)也于2014年4月發表其全新的Newton平臺,采用自家雙核JZ4775 1GHz CPU,其XBurst核心可相容于MIPS32、PowerVR與Ensigma等硬體架構,可使用LPDDR、Flash記憶體,并支援Wi-Fi、藍牙、NFC等無線通訊功能,并有各種I/O連接各式感應器,在軟體上可相容于Linux、Android、Android Wear平臺。
Newton主打低功耗、高性能的穿戴式平臺,尺寸僅為38 x 22 x 3mm(稍比SD卡大9%的面積),待機功耗<4mW,最低執行功耗僅80mW,最高平均運行功耗<260mW,使續航力達30小時以上。目前已知Geak Watch(果殼智能手表)與智器Z Watch,皆是采用其CPU平臺來設計。
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