電源管理/製程/能量採集發功　強化穿戴裝置續航力多管齊下

自從2007年iPhone問世開始，穿戴裝置隨著智慧手機的發展，成為資訊科技產業充滿活力與潛力的領域，包括可聽設備、手表、手環、眼鏡、戒指、聯網鞋等都呈現成長態勢，此外，穿戴裝置的應用場景與類型多樣多種，而且仍在不斷增加。產業研究機構IDC指出，2021年全球穿戴裝置出貨量共計5.336億台，較2020年成長20.0%。

隨著穿戴裝置更加趨向緊湊輕巧的外形，所面臨的挑戰就在於既要提供豐富、直覺的體驗，又滿足要求嚴苛使用情境和新興應用對於延長電池續航時間和改善連接的要求。大致而言，穿戴裝置的整體機構中，元件與電池分別透過不同的努力降低耗電與提升電池使用時間，舉凡電源管理、元件製程技術的改善、電池體積、能量密度的提升，甚至能量採集(Energy Harvesting)技術讓裝置可以完全不用充電，提供永續應用服務，進化穿戴裝置使用體驗。

穿戴裝置產業潛力無窮

根據IDC的研究資料，全球穿戴裝置市場在TWS無線藍牙耳機的強力推動下，近年來快速成長；另外，隨著智慧手表功能越來越多，價格帶也從高價拓展至中低價，成長性與普及性不斷提升。除了TWS耳機、智慧手表之外，IDC表示，2021年第四季成長最速的穿戴裝置其實是可測量心跳、睡眠、體溫的智慧戒指如Oura，以及臉書與太陽眼鏡大廠Ray-Ban聯名推出的智慧眼鏡Stories；再者，聯網鞋第四季出貨量年增率高達94.1%。

其中，Apple無疑是穿戴裝置產業的龍頭，憑藉藍牙耳機AirPods與智慧手表Apple Watch占據整體穿戴裝置市場30%左右市占，在穿戴裝置的破碎化特性之下，「果粉」的支持成就其市場的豐收，但無可否認，Apple的成功並非只來自信仰，其產品傑出的使用者經驗，或許是更重要的關鍵，背後投注的研發心力恐怕是其他廠商最需要學習的部分。穿戴裝置的使用者體驗中，續航力絕對是一大重點，也是業界廠商技術發展的重心之一。

整體來說，ADI業務總監汪揚(圖1)認為，穿戴裝置在使用者體驗的提升、產品及運營模式創新以及對穿戴式產品的業界規範發展等方面都有改善和提升的空間。從生態鏈的建立和完善角度來看，目前整個業界都在兩條主線上推動，一是硬體裝置的不斷創新以及更加全面而豐富的功能和性能，另外就是基於硬體終端的不斷提升，數據資料的深度挖掘和分析，進而提供更有價值的資料服務，必將是業界發展的重要趨勢。

除了消費性領域穿戴裝置的蓬勃發展，汪揚強調，在專門的醫療設備領域，穿戴式同樣成為專業醫療體系對某些體徵訊號監測裝置與設備的需求形態，例如穿戴式醫療級的監護儀設備以及心電設備、專業的心電貼等，這也必將是整個穿戴市場的趨勢和發展的推動力。

穿戴裝置元件電源管理追求節流

另外，由於消費市場的巨大需求和不斷擴增的新興應用，預計穿戴裝置的市場規模將從2020年的近371億美元成長到2027年的1,043.9億美元。感測器、材料科學和雲端運算的進步正在推動下一代穿戴裝置和個人裝置的發展，並推動醫療和工業應用不斷創新。

恩智浦(NXP)大中華區微控制器事業部市場經理弋方(圖2)指出，傳統的穿戴裝置是指穿戴在身上的設備，比如健身追蹤器、耳機和智慧手表，但隨著非消費電子產業的需求不斷增加，穿戴裝置的定義已擴大到所有可攜式設備。未來將出現各種類型的穿戴裝置，以支援和改善日常工作和生活，讓用戶能夠獲取和管控關於健康、位置和工作任務的資訊。

穿戴裝置的應用場景多種多樣，而且仍在不斷增加，這也將推動OEM提供更加豐富的功能。從零售到健康保健，再到工業領域，非傳統型穿戴裝置開發商正在進入這個市場。這些開發商將穿戴裝置視為一個盡可能貼近消費者提供價值的機會，例如讓老年人能夠更便捷地使用急救服務、為家長提供子女的地理位置資訊。

穿戴裝置的主要設計目標是實現輕薄短小的外形尺寸，以實現可穿戴性/舒適性，以及超低的能耗以延長電池使用時間/壽命。汪揚說，以穿戴裝置供電而言，電源管理IC能否降低消耗電流對延長續航力至關重要，其中，微功率或毫微功率轉換IC是必要的，低壓差穩壓器(LDO)、後穩壓開關穩壓器或低漣波開關穩壓器都是良好選擇。

半導體元件致力降低耗電以延長裝置續航力，瑞薩電子市場行銷經理何信龍表示，小型的穿戴裝置都傾向使用微控制器(MCU)，相較運算能力強大的微處理器(MPU)與應用處理器(AP)更加省電，並選用省電型的MCU或特殊功能MCU，相較通用型MCU，在電力消耗上更為精準。另外，感測器的設計也盡量透過軟體控制，實現精準感測，需要的時候運作，不需要時就讓感測元件休眠，節省非必要的電力消耗。

縮小元件尺寸擴大電池體積

面對穿戴裝置極其有限的機構空間，希望透過更緊湊的元件設計，為電池爭取更大的空間，近年來從智慧手機以降的穿戴裝置中，大部分的機構空間都讓給電池，工研院電光所副所長李正中表示，透過系統級封裝(System in Package, SiP)可以協助整合原先各自獨立的晶片，讓晶片體積縮小、效率變好。以Apple Watch S4為例，採系統級封裝的Cellular版本之整體封裝面積為59.9mm2，相較單獨(Standalone)封裝的Non-Cellular版本之整體封裝面積為94.6mm2，其面積少了將近四成，可見系統級封裝之強項在於微縮封裝面積以符合並置入終端產品輕薄短小的形態中。

此外，以系統級封裝市場來看，終端產品使用最多的是在手持式裝置，其次是穿戴裝置，李正中說明，若以2019~2025之年複合成長率而言，穿戴裝置高達17.2%，正如同前述所言，因穿戴裝置之輕薄短小需求，而特別需使用系統級封裝進行晶片整合及系統微縮，以放進空間受限的穿戴裝置中。 系統級封裝包括內埋式系統級封裝(Embedded System in Package, ED SiP)、扇出型系統級封裝(Fan-out System in Package, FO SiP)及覆晶/打線混合式系統級封裝(Flip-Chip/Wire-Bond System in Package, FC/WB SiP)等三種。內埋式系統級封裝是將部分主/被動晶片埋入載板以節省封裝之X-Y面積，該項技術主要用於穿戴裝置如智慧手表等，也是因穿戴裝置需求快速成長而使該項技術有較高成長率。

扇出型系統級封裝是將主/被動晶片以扇出型封裝方式進行整合，此項技術主要用於消費性手持裝置，但也有部分會用於高階伺服器相關晶片整合。覆晶/打線混合式系統級封裝則是根據客戶成本及效能需求，將晶片各別選擇適當的封裝方式再加以整合，是目前系統級封裝使用最多的技術，常用於消費性手持式產品之射頻元件整合當中，另亦常用於與感測器結合的相關應用。

能量採集力助電池續航力

除了裝置內部的擴大電池空間(開源)與降低元件耗電量(節流)之外，從裝置外部也可以進行協助，能量採集已被提出多年，透過蒐集環境中的能量如：太陽能、風能、熱能等，並透過不同方式蒐集能量，協助穿戴裝置延長續航力，甚至可以透過能量採集擺脫對電池的依賴，讓裝置在使用時就可以自主發電與充電，與近來淨零碳排的風潮不謀而合，因為大部分環境能量都屬於可再生的綠能，可以說是穿戴裝置電源的終極解決方案。

能量採集技術不是全新的技術，被提出也已有相當長的一段時間了，目前應用最成熟的是太陽能與風能，能量轉換效率較佳，技術也相當成熟，台大工程科學及海洋工程系教授吳文中說，大部分能量採集技術的機構面積或體積與採集的能量成正比，以太陽能與風能為例，需要透過大型的太陽能板與風機才能採集到可用的能源，對於設備空間缺乏的穿戴裝置是一大難題。

投入靜電能量採集技術的陽明交大電機系教授邱一解釋，透過駐極體亦即自身帶有電荷，且電荷近乎於永久存在的介電材料，以摩擦產生電荷，然後保持電荷直到足以將其提取為電流，機構設計最小可以達到幾公分，有機會搭載於穿戴裝置，不過機構較小發電效率相對也較差，只能作為延長電池續航力的輔助方案，無法完全取代電池成為主要的供電裝置。

無論何種能量採集技術，目前發電的效率通常低於電池供電，吳文中認為，能量採集還有改善空間，包括縮小機構設計、提高能量轉換效率、延長發電時間等，讓發電量可以有效補充電池電能，如能達儲電量的10%以上，相信可以有效協助穿戴裝置延長續航力。

延長續航力改善穿戴裝置使用經驗

在設計穿戴裝置時，功能、功耗、連接和用戶體驗各方面的權衡密切相關。弋方提到，從功耗角度看，要在最優的動態功率範圍和最少的洩漏之間進行權衡，對於用戶體驗，則可能要權衡是每秒播放60幀還是24幀。如何才能在不提高價格，也不減弱功能的情況下提供最出色的體驗和最長的電池續航時間，是廠商設計產品時的考量重點。

基於目前穿戴技術趨勢，可以預見在未來幾年，需要將更多功能整合到硬體中。弋方強調，隨著用戶的期望不斷提高，OEM的需求將超越單純的GPU和網路連接，轉向更大的記憶體容量、機器學習和整合式感測器處理中心，以便在低功率狀態下，從不同來源獲取和處理資料。其中包括從SoC解決方案發展到系統級先進封裝技術，將不同的處理、連接和記憶體元件封裝到外形小巧的設備中。

穿戴裝置市場將繼續推動不同的IP實現大規模融合與整合，因為要滿足所有這些產品的需求，必須採用更小的封裝並具備更長的電池續航時間。如果OEM能夠利用靈活的硬體和生態系統選項來提供生動的使用者體驗和盡可能長的電池續航時間，成功就近在眼前，穿戴裝置產業的發展呈現長期成長不是夢。