亞德諾
穿戴式裝置商機竄起 感測/電源/眼球追蹤有前景
在蘋果(Apple)、小米等電子品牌業者透過手環、手錶與耳機等產品,為消費性穿戴式裝置成功打開市場後,社會大眾對於利用穿戴式裝置收集生理訊號,結合手機App來追蹤自己的健康狀況或運動數據,已經有了很高的接受度。而這類消費性產品所創造的龐大市場需求,也反過來吸引晶片供應商投入更多資源,研發感測精度更高、更省電與更低成本的解決方案,使得穿戴式裝置這個應用市場踏上正向循環的發展道路。
消費性穿戴式裝置的成功,同時也為生醫、長照或其他專業型穿戴式應用的發展打下更穩固的基礎,並使得相關產品的開發者得以挑戰技術難度更高的穿戴式產品,例如智慧衣物、醫療設備等。另一方面,眼球追蹤等新一代人機介面技術的進展,讓使用者可以直接用視線來與穿戴式裝置互動,也為穿戴式裝置未來創造出更多可能性。
半導體技術持續進步 穿戴裝置進軍生醫
成功大學電機系李順裕教授(圖1)指出,收集各種生理訊號,再結合手機App等資訊軟體來追蹤使用者的生理狀況,是目前絕大多數消費性穿戴式裝置的主要應用情境。生醫或長照所需要的穿戴式裝置,核心功能大多也都跟這些消費性產品雷同,只是為了取得更精準的數據,或貼近某些應用場景的特殊需求,而必須在外觀上做一些改變。
圖1 成功大學電機系李順裕教授表示,穿戴式裝置在生醫跟長照領域,有極大的發展前景。
智慧衣就是一個很典型的例子。藉由將感測電極與紡織品結合,加上低功耗放大器、濾波器、微控制器以及藍牙等穿戴式裝置所使用典型元件,以及手機App,就能構成一套完整的穿戴式裝置。不過,也因為感測電極必須跟布料整合,所以智慧衣的開發者必須找到有相關技術的紡織業者合作,這反而是比較大的挑戰。
李順裕教授所帶領的團隊,在開發智慧衣的專案中,配合的紡織業者是台南當地的廠商。他表示,台灣有很強的紡織業基礎,因此台灣要發展智慧衣這類專業型的穿戴式裝置,具備不錯的先天優勢。
相較之下,專業型穿戴式裝置所需的電子元件,基本上已經相當成熟。以李教授所帶領的團隊為例,該團隊所研發的各種穿戴式裝置,如智慧運動衣、智慧寵物衣,甚至具有醫療功能的癲癇腦波監測與刺激治療裝置,絕大多數元件都是由亞德諾(ADI)供應。
安馳科技應用工程師范育彰(圖2)表示,誠如成大李教授所言,穿戴式裝置的核心元件不外感測、電源、控制與通訊四大類,其中又以感測最為特殊,因為穿戴式裝置需要感測的物理量大多是生物訊號,其他像電源、控制與通訊,都屬於通用元件。但由於穿戴式裝置的外觀通常非常緊湊,沒有空間安裝大電池,因此不管是感測、電源、控制或通訊元件,都必須做到非常省電。
圖2 安馳科技應用工程師范育彰指出,亞德諾在穿戴式裝置應用有很完整的布局,特別是在感測與電源方面。
亞德諾目前的產品布局著重在感測跟電源兩大領域。針對穿戴式裝置所需的感測技術,目前已推出超低功耗加速度計、測量心跳用的光學模組及支援單端量測的心律感測前端等,都具備小封裝、低功耗的特性。至於在電源方面,亞德諾也已透過購併凌力爾特(Linear),獲得完整的電源管理跟充電IC產品線。
因此,對穿戴式裝置的開發者而言,亞德諾確實有足夠的產品線涵蓋範圍,能實現一站式採購,省去四處尋找適合元件的麻煩。此外,針對某些穿戴式應用,亞德諾還能提供完整的電子系統參考設計,進一步協助開發者縮短產品設計時間。
超低功耗 帶來電路量測挑戰
為了滿足使用者對穿戴式裝置電池續航力的期待,元件供應商在針對這類應用開發產品時,都將超低功耗列為主要的設計目標,並導入各種休眠模式,盡可能壓低靜態電流消耗。但對穿戴式裝置的設計者而言,這些功能雖然有助於壓低系統功耗,卻也使得穿戴式裝置的電源量測變得更具挑戰性。
克達科技資深應用工程師馮育隆(圖3)指出,提到電源量測,工程師最常使用的量測工具,不外數位電表跟示波器兩種工具,但對穿戴式裝置的電源量測來說,這兩種工具其實並不理想。
圖3 克達科技資深應用工程師馮育隆認為,數位電表跟示波器這兩種常用的測試儀器,不適合用來量測穿戴式裝置這類電流非常小的應用。
數位電表有足夠的動態範圍,可量測到奈安(nA)等級的電流,對於有深度休眠模式的穿戴式裝置來說是足夠的,但數位電表的取樣率通常只有10KHz,當快速暫態事件發生時,很容易錯失訊號;示波器則正好相反,其取樣率足以捕捉到各種暫態訊號,但其動態範圍不足,通常只能量測到微安(mA)等級的電流,當待測物處於深度休眠模式時,會量不到訊號,因此,不論是數位電表或示波器,在開發穿戴式裝置時,都不是理想的功率量測儀器。
有鑑於此,是德(Keysight)特別開發出在動態範圍跟取樣率間取得更佳平衡的元件電流波形分析儀CX3300,搭配N6700系列電源供應器跟對應的測試軟體,可以讓穿戴式產品的開發者精準取得各種微小的電流波形,並對產品的整體功耗進行更全面的評估。
眼球追蹤 突破人機互動難題
目前絕大多數的穿戴式裝置,本質上都是將感測器設計成適合穿戴在身上的形式,以便隨時擷取各種生理數據。目前穿戴式裝置的發展狀況如此,跟科技的局限有關,因為穿戴式裝置非常小巧,沒有足夠的空間來實作太複雜的人機互動功能,因此只適合用來當作被動的資料擷取設備。但如果有人機介面技術能有所突破,穿戴式裝置的發展道路肯定更加寬闊。
見臻科技創辦人暨執行長簡韶逸(圖4)認為,眼球追蹤技術就是穿戴式裝置目前還欠缺的人機互動關鍵技術。有了眼球追蹤技術,使用者就能用視線來與穿戴式裝置互動,這會為穿戴式裝置的設計帶來許多突破性的發展,例如智慧眼鏡、虛擬實境(VR)跟擴增實境(AR)等會占用人類視覺感官的穿戴式裝置,都將因眼球追蹤技術的突破,在使用體驗方面更上一層樓。
圖4 見臻科技創辦人暨執行長簡韶逸認為,眼球追蹤將是穿戴式裝置不可或缺的關鍵技術。
但目前市面上存在的眼球追蹤技術,大多使用多顆發射不可見光的LED來進行眼球定位,這種架構過於複雜,不僅墊高了原物料成本,產品在量產時的校正也非常花時間,更嚴重影響系統的電池續航力,並使得產品外觀更加笨重,因而阻礙了眼球追蹤技術的普及。
這些問題讓見臻看到突破的機會,並發展出只需要雙眼各一顆LED的硬體方案,再搭配見臻自行研發的軟體演算法跟ASIC,搭載眼球追蹤技術的頭戴式產品將可有一整天的電池續航力,而且成本跟體積都比現有的解決方案更理想。
ADI攜手Jungo開發座艙監測技術提升車輛安全性
亞德諾(ADI)日前宣布與Jungo合作,共同開發基於飛時測距(ToF)和2D紅外線(IR)技術的攝影機解決方案,以實現車內駕駛員及座艙監測。結合ADI的ToF技術和Jungo的CoDriver軟體將可透過觀察頭部、身體位置以及眼睛注視情況來監測車內人員的睡意和注意力分散程度。該解決方案並可望實現基於臉部、身體和手勢的智慧互動,提供每位車內人員的人臉識別功能,實現個性化資訊娛樂及服務,以及共乘支付等功能。
ADI汽車連接暨感測產品總監Vlad Bulavsky表示,ADI與Jungo的合作,為目前手勢控制之外的創新擴增實境應用開啟了大門。相信此次合作可將座艙監測和基於ToF的駕駛員和乘客監測提升到一個新的層次,進而提高行車安全性。
3D ToF為一項無掃描LIDAR布光檢測和測距技術,藉由發射奈秒級高功率光脈衝來捕捉相關場景的深度資訊(通常是短距內)。ADI提供可直接提升3D ToF系統功能的產品和解決方案,包括處理、雷射驅動器、電源管理以及開發板和軟體/元件,進而快速實現3D ToF解決方案。
Jungo的CoDriver軟體運用先進的深度學習、機器學習和電腦視覺演算法,透過面向駕駛員的攝影機即時偵測駕駛員狀態。該軟體並支援車內全面偵測技術,如乘客人數統計、安全帶使用情況偵測、危急醫療偵測或觀察等功能。
Jungo執行長Ophir Herbst表示,OEM廠商已運用Jungo的CoDriver監測演算法來保障駕駛員和乘客的安全,並開發監測車內乘客狀態的創新用例。很高興與ADI合作,透過該公司的演算法和ADI的ToF技術使車輛更智慧,協助OEM滿足法規要求,並於下一代車輛中實現創新。
ADI推出四通道輸出DC/DC穩壓器
亞德諾半導體(ADI)日前推出LTM4668和LTM4668A µModule穩壓器,兩款四通道輸出DC/DC穩壓器之輸出電流最高可達4.8A。新元件整合了開關控制器、功率FET、電感器和其他支援元件,因此可簡化設計流程,同時縮減功耗及電路板空間,非常適合電訊、網路和工業應用。
LTM4668和LTM4668A可於2.7V至17V輸入電壓範圍內操作,支援0.6V至5.5V輸出電壓範圍。元件支援頻率同步、多相操作、可選的Burst Mode操作、100%工作週期和低IQ操作。高開關頻率和電流模式架構可對線路和負載變化達到快速的瞬變響應,且不影響穩定性。
LTM4668和LTM4668A採用6.25mm×6.25mm×2.1mm BGA封裝。主要特性包括寬廣的輸入電壓範圍,從2.7V至17V;0.6V至1.8V輸出電壓(LTM4668);0.6V至5.5V輸出電壓(LTM4668A);可並聯,每通道輸出電流1.2A DC。此外,總輸出電壓調節範圍為±1.5%且電流模式控制快速。
貿澤供貨ADI低相位雜訊寬頻合成器
貿澤電子(Mouser)即日起開始供應亞德諾半導體(ADI)含整合式電壓控制振盪器(VCO)的ADF5610寬頻合成器。ADF5610具有出色的效能和彈性,適合航太與國防、無線基礎架構、微波點對點鏈路、電子測試與測量及衛星終端機等各種市場應用。
貿澤電子所供應的ADI ADF5610是一款寬頻分數-N型合成器,可產生57MHz至14.6GHz的射頻輸出,擁有低相位雜訊。與需要多個窄頻GaAs電壓控制振盪器和鎖相迴路(PLL)的解決方案相較下,ADF5610功率消耗減少50%、尺寸更小,架構更為簡化,有助於降低材料清單成本,並縮短上市時間。
ADF5610採用ADI的先進矽鍺(SiGe)BiCMOS製程開發而成,具有低位元錯誤率。整合式鎖相迴路(PLL)功能,可提供快速的跳頻和鎖定時間(正確設定下小於50μs,包括使用合適的環路濾波器)。
ADF5610由ADI完整易用的PLL合成器設計與模擬工具ADIsimPLL提供完整支援,可利用該工具評估相位雜訊、鎖定時間、抖動和其他設計考量。此外,客戶也可利用整合式SPI介面與控制軟體,來進行裝置的程式設計。
成本/開發速度二選一 分立/模組電源各有所長
對電源設計者來說,要完成一個電源系統設計,傳統上多半是以分立元件(Discrete)組成,但隨著半導體跟封裝技術不斷進步,現在有越來越多元件供應商開始提供整合好的電源模組方案,甚至有專門提供電源模組的品牌業者。這意味著電源設計者有了更多樣化的選擇,但在何種情況下適合使用傳統電源設計架構,何種情況下又該考慮直接導入模組化電源?事實上,這兩種解決方案各有優劣,電源開發者在評估時必須做好各種考量。
ADI µModule電源產品業務開發總監Afshin Odabaee表示,模組方案的優勢包括擁有預先組裝的完整系統級封裝,供應商在其操作溫度範圍內,通常會對產品進行100%電氣測試,確保模組內的所有元件,包括DC/DC穩壓器IC、電感器、電容器和MOSFET均合乎溫度、衝擊和振動、電源週期以及其他熱、電和機械應力使用。此外,跟分立元件組合而成的方案相比,模組化方案還擁有非常高的可靠性,以及客戶無需購買DC/DC穩壓器電路的BOM(所有零組件均包含在模組內)等優點。
高整合度的電源模組可加快電源系統設計的速度,且通常有助於縮小PCB占用面積。
此外,使用模組方案,客戶在進行PCB布局時是非常容易的,可使PCB布局更改需求降至最低、甚至不需更改,以避免在重新設計上浪費資金,並加快設計週期。以ADI的µModule方案為例,該模組可處理DC/DC電路的所有困難工程問題,例如雜訊、電感,EMI,布局,接地迴路等。最後,使用µModule穩壓器時,類比和電源設計知識所需最少;相較之下,使用分立式方法則需要較深入的專業知識和多年的經驗累積,以避免多次PCB更改。
不過,分立元件還是有模組方案所不具備的優勢,例如其成本較為低廉,此外,電容器和電阻器等元件之間的選擇可以較為靈活,能滿足某些比較特別的規格要求。
因此,當電源開發者在評估究竟該使用分立元件或模組方案時,應該考慮的重點有四:
一、自家團隊是否有時間從頭開始設計電源,並準時完成設計驗證?如果沒有,那麼則使用模組化方案。如果有,則可將模組方案與分立式解決方案進行比較,然後根據尺寸和電氣/熱/機械性能等做出選擇。
二、是否有已知且經過驗證的DC/DC穩壓器解決方案,可以為FPGA,ASIC、GPU等處理器供電?µModule穩壓器用於英特爾(Intel)、賽靈思(Xilinx)、博通(Broadcom)等公司的多樣化參考設計中,如果需要快速且經過驗證的解決方案,則可參考這些參考設計來運用µModule穩壓器。
三、設計專案是否對DC/DC穩壓器解決方案有嚴格的PCB面積和高度限制?如果是,則可優先考慮模組方案,目前µModule產品線已經有非常小巧且超薄的封裝。開發團隊可以將採用模組的設計與分立式方案進行比較。
四、電源開發或採購團隊是否擔心分立式DC/DC穩壓器電路中使用的元件停產(EOL)問題?如果是,則可使用µModule調節器。ADI會為EOL負責和處理二次採購。