本文來自微信公眾號“電子智造業(yè)”，作者/卞婭琪
伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、元宇宙等技術(shù)概念熱潮興起，短視頻達人意見領(lǐng)袖的帶動，智能可穿戴設備擁有相當廣闊的市場前景。2021年中國可穿戴市場全面復蘇，2022年望迎來新的發(fā)展春天。
2022年中國可穿戴設備市場預出貨超1.6億臺
如今，從常規(guī)查看時間、通話到電子支付，再到健康監(jiān)測、活動管理等更多健康元素融入，可穿戴設備在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜l(fā)重要的角色。在移動通信、圖像技術(shù)、人工智能等技術(shù)的融合創(chuàng)新之下，可穿戴設備迅速發(fā)展，成為全球增長最快的高科技市場之一。
近日，IDC發(fā)布《中國可穿戴設備市場季度跟蹤報告，2021年第四季度》，2021年第四季度中國可穿戴設備市場出貨量為3753萬臺，同比增長23.9%。全球可穿戴設備出貨量從2014年的0.29億部增長至2021年的5.34億部。
IDC預測，2022年，中國可穿戴設備市場發(fā)展將新增速，實現(xiàn)出貨量超過1.6億臺，同比增長18.5%。預計到2024年將達到6.37億部。
可穿戴設備 包羅萬象
麥捷科技副總裁張照前尤為看好智能可穿戴設備發(fā)展，他認為，安全、健康、潮流是目前可穿戴產(chǎn)品主要發(fā)展方向。將在健康、信息跟蹤等功能上取代部分手機功能，智能穿戴種類也會越來越多，應用到不同產(chǎn)業(yè)。
智能可穿戴設備涉及的產(chǎn)品十分廣泛，可穿戴設備以智能手表和基本手表組成的手表品類，復合年增長率最高，IDC數(shù)據(jù)顯示，全球智能手表市場出貨量從2016年的0.21億塊迅速增長至2021年的1.28億塊，年復合增速為43.55%。
而智能無線耳機則是在蘋果公司的助推下，風靡全球，搭載藍牙技術(shù)，進行無線傳輸數(shù)據(jù)，擁有接聽電話、遙控拍照等功能的無線智能耳機，隨著時代的發(fā)展，智能耳機的智能運動追蹤，檢測心率、GPS導航等功能不斷擴展，市場規(guī)模不斷擴大。
Canalys數(shù)據(jù)顯示，2021年全球智能耳機市場出貨量約為5億副，較2020年增加0.7億副，同比增長16.3%。
在我國可穿戴設備細分市場中，2021年，耳戴設備市場出貨量保持在較高水平，約為7898萬臺，同比增長55.4%；手表市場出貨量為3956萬臺，同比增長21.4%。其中，成人手表2013萬臺，兒童手表1943萬臺；手環(huán)市場出貨量為1910萬臺。
三體微電子市場總監(jiān)趙文慶認為，TWS耳機市場經(jīng)過6年高速發(fā)展，各項功能和技術(shù)都漸漸趨向成熟。2022年，隨著藍牙5.3普及、LE Audio應用、以及各項技術(shù)的普及落地，TWS耳機市場迎來新的機遇。
順絡電子市場推廣部經(jīng)理袁聰認為，5G技術(shù)的成熟，意味著AI+loT生態(tài)的成熟，5G技術(shù)以及云計算的發(fā)展，將推動智能可穿戴無線化應用場景的進一步豐富，市場將迎來更多設備，內(nèi)容生態(tài)將得到有效補充。“智能手表在體積、重量等方面的優(yōu)勢讓其日后有發(fā)展成為AI+loT生態(tài)入口的可能性。耳機的發(fā)展趨勢已經(jīng)向著智能化發(fā)展，有些廠商已經(jīng)在耳機中集成心率測試等功能，可與手表、手機一起構(gòu)成智能穿戴生態(tài)圈。”
此外，還有用于3D顯示和動作交互的VR頭顯，聽障病人使用的助聽器，應用于工業(yè)生產(chǎn)提供更豐富視覺信息的增強現(xiàn)實眼鏡，冬奧賽場上采用的“測溫創(chuàng)可貼”等產(chǎn)品，均屬于智能可穿戴設備范疇。
疫情加速健身可穿戴設備市場成長
可穿戴設備中的傳感器就是人類感官的延伸，增強人類“第六感”功能，可預知人體活動產(chǎn)生的各種微妙變化。
原努比亞創(chuàng)新設計中心工程師江工說：“我覺得可穿戴設備市場未來會往好的方向發(fā)展。尤其是近兩年，人們對健康的關(guān)注度提高，而可穿戴設備通過生物識別，能實時檢測到人體機能的變化，滿足了當前人們對健康生活的追求，從而使人們關(guān)注到可穿戴設備領(lǐng)域。”
如今，新冠疫情防控已經(jīng)常態(tài)化，人們對健康狀況的關(guān)注確實遠超以往，增強個人體質(zhì)和免疫力成為人們防范疫情的重要方式。近期上海疫情發(fā)生之后，在上海居家隔離的明星劉畊宏，通過直播跳健身操的方式，帶動全民健身，在流量密碼和熱度的不斷翻炒之下，人們對于健身塑形的需求快速提升，而可穿戴設備及相關(guān)軟件服務出現(xiàn)，給人們提供了便捷高效的健身方式的同時，讓人們可以第一時間記錄自己健身效果。
據(jù)《財富》調(diào)查報告顯示，2021年，全球健身可穿戴設備市場規(guī)模已達到363億美元，復合年增長率將達15.4%。預測到2028年，該市場規(guī)模將超過1100億美元。
入局者，無論是初創(chuàng)公司，亦或科技巨頭，均在相關(guān)軟硬件方面不斷投入。
三星、華為、小米、蘋果、亞馬遜等均研發(fā)了健身可穿戴設備系列，目前，主流的可穿戴運動設備，主要包括藍牙耳機、運動手表、運動服飾等。
這些可穿戴設備在軟件的配合下，可實現(xiàn)鍛煉訂閱計劃、運動跟蹤、數(shù)據(jù)收集、及時反饋，健身愛好者享受到了更多科技福利，讓鍛煉更有效率。
可穿戴設備對電感器有哪些新要求？
隨著使用場景和用戶群體的不斷擴大，智能可穿戴設備必然呈現(xiàn)出向著多元化、智能化發(fā)展的趨勢?？纱┐髟O備智能化和功能集成化需求越來越高,附加的電子組件數(shù)量也隨之增長。
在功能提升的同時，可穿戴設備向更加輕薄化、便攜化發(fā)展，相應產(chǎn)品的核心零部件也將更加精密化和復雜化。其中，輕薄化涉及到的薄、小、輕是可穿戴設備的物理要求，也是當今可穿戴技術(shù)限制電池壽命的主要原因。
三體微電子市場總監(jiān)趙文慶認為，在將來的一兩年內(nèi)，藍牙耳機將圍繞著無損音質(zhì)，空間音效等功能發(fā)展，隨著功能與性能的升級，對功耗和空間提出了更苛刻的要求。
“智能手表因體積較小、向著薄型化發(fā)展，要求使用的電子元件的體積和高度越來越小，對于電感的要求同樣是體積小，低背，在智能手表中常用的電感類型可以分為功率電感和射頻電感。”袁聰說。
麥捷科技張照前告訴記者，就智能手表來說，客戶使用的芯片方案以及通信制式(3G,4G)不一樣，使用數(shù)量會有區(qū)別。智能耳機，主流的絡達、恒玄、高通、瑞昱方案音頻板(耳機板)會使用3-6顆精密繞線電感(MTF系列)或者小尺寸功率電感(MPSM系列)；杰里、中科藍訊低端方案會使用2-4顆疊層功率電感(MGFL系列)；充電倉也會使用1~2顆功率電感(MPIT系列，尺寸范圍2520-4018)。
“由于可穿戴設備注重其便攜性與續(xù)航能力，可穿戴設備未來應該會往小尺寸、大電流、輕型化方向發(fā)展，應用在可穿戴設備領(lǐng)域的電感高度從以往的0.8mm到現(xiàn)在大致控制在0.65mm，電流約為1.3A。”奇力新鄧主管認為，電感器未來的趨勢也是尺寸越小越好，要求降低功耗，減少電感損耗，提高Q值。
中穎電子業(yè)務部總監(jiān)羅頔認為，現(xiàn)在可穿戴設備，尤以耳機為主，主要做的是音頻傳輸，隨著5G、藍牙聯(lián)網(wǎng)等各方面技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設備可能會涉及到視頻信號的傳輸，這對傳輸速度提出了更高的要求。“對可穿戴設備來說，消費者會更加注重其小巧便攜，這就需要我們?nèi)p小其體積?？纱┐髟O備中使用到的芯片、電感等都需要采用更為先進的工藝來推動體積小型化。此外，隨著對可穿戴設備續(xù)航能力要求的提高，功耗肯定要不斷下降。這就需要提高設計能力與工藝要求，從而減小功耗。”
風華高科技術(shù)部副總李強則認為，可穿戴設備的核心功能是數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理。未來發(fā)展方向是低功耗、長續(xù)航、功能化、娛樂化。電源開關(guān)和射頻器件中使用的電感會影響智能穿戴設備功耗。需要進一步提升產(chǎn)品的Q值和材料損耗來降低功耗，磁企需要對產(chǎn)品進行升級，提升產(chǎn)品性能，以滿足其需求。
較早一代可穿戴手表，使用1個傳統(tǒng)的電源管理芯片和幾個獨立的穩(wěn)壓器來對設備中的各個功能單元進行供電，這些芯片占有的體積相對較大，因而一般會采用功率較小的充電器。這種方案采用的芯片，如果需要3路的開關(guān)模式電源的輸出，以及1個開關(guān)模式的充電，至少需要4個電感，而電感通常是電源方案中外部最大的被動元件。
隨著可穿戴手表功能越來越強大，諸如GPS、BioZ、音頻等，需要更多的傳感器來支持更多的功能，也就需要更強大的AI處理芯片，這都對電源芯片提出了更高的要求，如提供更精確的GPS、音頻和觸屏反饋，需要電源方面能夠提供穩(wěn)定的電壓、電流，使這些傳感器的信噪比不受影響，更快的充電系統(tǒng)方面，需要1個開關(guān)模式的充電器。
Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI)推出了低功耗單電感多輸出（SIMO）技術(shù)，可以滿足上述所提到的所有需求。MAX 77659是該公司最新推出的SIMO架構(gòu)芯片。該方案3路開關(guān)模式的輸出以及1路開關(guān)模式的充電共用1個電感（如下圖），這樣將物料清單減少了60%，同時總電源解決方案尺寸減小50%。
采用低功耗單電感多輸出（SIMO）技術(shù)的還有Texas Instruments（TI）公司,TPS65135器件是TI公司提供的一款高效的分離軌電源。該轉(zhuǎn)換器具有單電感器和多輸出（SIMO）拓撲，因此使用的外部組件極少。該器件采用降壓/升壓拓撲，并生成高于或低于輸入電源電壓的正負輸出電壓。
從從業(yè)者提出的觀點我們能看到，智能可穿戴設備所需的電感器也面臨著這樣一種機遇與挑戰(zhàn)并存的環(huán)境，一方面，它擁有新一輪技術(shù)熱潮提供的廣闊前景，另一方面它則需要同時滿足多種苛刻需求，包括小體積、低功耗、高可靠性、高性能等方面的要求。
那么，如何解決？我們看看各家方案商都是如何解決這些問題的。
電感器商的可穿戴設備方案
Abracon一體成型電感方案
一體成型電感是現(xiàn)階段用于智能可穿戴設備較為常見的電感器。它是由不同類型的合金粉末混合物壓制和封裝而成的線圈。與傳統(tǒng)的繞線電感不同，一體成型電感的軟磁粉末材料被壓入線圈周圍的模具中。
與其他電感相比，一體成型電感的效率、屏蔽和功率密度性能更好，其提高性能的關(guān)鍵因素是，使用粉末材料填充線圈周圍的空氣間隙，從而實現(xiàn)芯體的密封封裝。封裝和所選材料提供優(yōu)異的電流容量和效率，是可穿戴設備、便攜式設備應用的理想選擇。
晶振公司（Abracon）的一體成型電感AMPLA和AMDLA系列在需要大電流（>1A）、高效率，空間有限的直流/直流轉(zhuǎn)換應用中有非常優(yōu)秀的表現(xiàn)，并為電路在超寬工作溫度范圍內(nèi)提供卓越的干擾保護。
三星電機延用MLCC技術(shù)從生產(chǎn)、材料改進
三星電機中央研究所副社長Hur Kang Heon表示“隨著電子產(chǎn)品性能提高，功能越來越多，就需要縮小起內(nèi)部零件的尺寸，改善其性能和容量，為此就需要差異化的技術(shù)。”
從產(chǎn)品性能來看，隨著零件的性能越來越好，所使用的的電量增加，因此需要能夠耐受高電流的電感器。
電感器的性能，一般由其原材料，即軟磁磁性材料和可在內(nèi)部纏繞的線圈(銅絲)決定。
在產(chǎn)品體積上，三星電機新推出的這款功率電感器產(chǎn)品尺寸為0804，與過去移動設備中使用的1210尺寸相比，面積大幅縮小，厚度僅為0.65mm。尺寸減少了約50%，電損也得到改善。
在生產(chǎn)方面，三星電機通過由MLCC積累的材料技術(shù)及對半導體同基板生產(chǎn)技術(shù)的應用，將電感器生產(chǎn)做成基板單位，提升了生產(chǎn)率，產(chǎn)品厚度也更薄了。
在原材料應用上，三星電機自主開發(fā)了使用納米級超微粉的原材料，此外，還通過使用調(diào)光技術(shù)將線圈彼此相鄰放置，幾乎沒有剩余空間。調(diào)光技術(shù)是一種在制造半導體時用光標記電路的方法，成功實現(xiàn)線圈間的細微間隔。
未來，隨著電子設備的高性能、多功能化、以及5G通信的加持，可穿戴設備等智能設備市場的發(fā)展，超微型電感器的需求將快速增加，三星電機預計今后電子設備內(nèi)的安裝量每年將增加20%以上，他們將計劃為全球移動設備公司提供該產(chǎn)品。
TDK采用薄膜工法和優(yōu)化開發(fā)新磁材
TDK采用獨有的結(jié)構(gòu)設計和全新的開發(fā)材料，研發(fā)出金屬功率電感器PLE系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品是一種高效率、低漏磁通的超小型功率電感器，在可穿戴設備上搭載的小型電池上運行時可發(fā)揮很好的效果。
PLE系列是憑借2項關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)的，分別是工藝技術(shù)和材料技術(shù)。
PLE關(guān)鍵技術(shù)
另外作為材料制造商，TDK不斷地進行各種材料開發(fā)，新開發(fā)了高磁導率且低損耗的金屬磁性材料，制造出低損耗、高效率的電感器。
工藝技術(shù)應用了薄膜HDD磁頭的技術(shù)，這次提高了高精度積層技術(shù)，在1.0 x 0.6 x 0.8mm尺寸的金屬功率電感器上實現(xiàn)了2.2uH以上的電感值。
這種薄膜工法有以下特點：實現(xiàn)高精度的積層，可抑制偏差；實現(xiàn)2圈/層以上，在小導體專用面積上實現(xiàn)了高電感；確保上下磁性材料厚度，可抑制漏磁通。
薄膜工法和電感器的代表性工法——線圈工法與積層工法的比較如下圖所示。
順絡電子產(chǎn)品選型較為豐富
袁聰表示，順絡電子疊層功率電感MCL-A、MPH等系列產(chǎn)品特點是體積小、高度低、性價比高、飽和性好，可以很好地滿足目前智能手表對功率電感的要求；
繞線功率電感MWSD1608FE系列具有小體積、高飽和電流的特性，可以用在智能手表藍牙芯片周圍的降壓電路；
功率電感也可以選用如MWTC系列的模壓一體成型電感，此類電感的特點是高可靠性、高飽和電流，價格也相對較高；
射頻電感在射頻電路中的主要作用是阻抗匹配，可以選用疊層型的SDCL、HQ等系列，主要的特點是尺寸小、高Q，尺寸、感量范圍覆蓋全。
袁聰說，具體的使用數(shù)量因每一家的方案設計不同用量也不同，比如TWS耳機中，恒玄方案和高通方案對電感的性能、尺寸、數(shù)量要求均不同，一般情況使用電感的數(shù)量為2-3顆，對電感的要求是低DCR、低ACR，選型中考慮的參數(shù)是電感量、DCR、Q值等；射頻電感的作用除了常規(guī)的阻抗匹配外還可以起到隔離的作用，常規(guī)用量一般在6-10PCS。
麥捷科技專注降功耗降噪
張照前認為，長續(xù)航是智能手表當前主要面對的問題也是未來技術(shù)發(fā)展的方向。續(xù)航要求提高，對器件提出不斷降低損耗的要求。
麥捷科技深耕材料開發(fā)，圍繞小型化、低內(nèi)阻、低損耗等方向展開專題研發(fā)，已與相關(guān)客戶配合開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。對智能耳機來說，消費者更為注重其音質(zhì)的提高，“麥捷科技MTF0603S系列的產(chǎn)品，在解決磁場干擾的蜂鳴聲有著非常顯著的優(yōu)勢。對磁企而言，要不斷改進提升產(chǎn)品工藝，降低終端產(chǎn)品的功耗和低噪。”
萬磁科技從材料改進
要提升電感器性能，磁性材料的技術(shù)創(chuàng)新成為當時需要攻克的第一道難題。
廣東萬磁科技有限公司總經(jīng)理龔家萬告訴記者：“傳統(tǒng)式電感所用的軟磁粉末，起初是在壓制成型后，在產(chǎn)品表面噴絕緣漆，然后再繞銅線，即在鐵芯和銅線之間有絕緣層隔離。”
后來，萬磁科技學習國外先進技術(shù)，在粉末配置的過程中做了不同的改變，不斷進行研發(fā)試驗，最終得以創(chuàng)新性的改良，成為國內(nèi)首家研發(fā)出絕緣軟磁粉末的企業(yè)。
據(jù)介紹，絕緣軟磁粉末采用納米級高溫絕緣材料，將細微的軟磁粉末顆粒包覆，更能降低渦流產(chǎn)生的磁性損耗，可耐大電流、耐高溫、低損耗、低溫升、高阻抗，成型后產(chǎn)品耐壓可達300V以上，避免了線圈與軟磁粉末短路造成的燒機現(xiàn)象，具有安全保證。
龔家萬說，萬磁科技目前絕緣軟磁粉末年產(chǎn)能達1000噸，該產(chǎn)品創(chuàng)新水平居國際前列，是用于一體成型電感和SMD貼片電感最安全的金屬粉末原材料之一，采用這種材料生產(chǎn)的電感器也被廣泛應用于智能手表等可穿戴設備，具有耐大電流（可達80A），頻率高達5MHz、大功率、低損耗、低溫升、高儲能、電阻小、無噪音、超薄型、高飽和磁通密度等優(yōu)良特性。
三體微電子
電感器作為無處不在的電路元件，被認為電子產(chǎn)品線路板中三大被動電子基礎(chǔ)元件之一。隨著可穿戴設備產(chǎn)品需求的提升，對電感器材料、技術(shù)和工藝的創(chuàng)新需求同樣在增加。
在VR頭顯的顯示器方面，屏顯需要高壓將其點亮，無論是單節(jié)鋰電池或雙節(jié)鋰電池的系統(tǒng)電壓都要采用升壓電路給屏顯供電，而升壓電路中由于輸入輸出電壓較高，趙文慶說，一個VR設備中至少需要10顆電感。電感需要較高的感值來完成能量傳輸，又同時需要支持小體積。
隨著未來XR顯示屏的不斷升級，從分辨率，高刷新率，需要越來越大的功率密度。
針對未來XR可穿戴設備的技術(shù)發(fā)展特性，三體微電子也升級產(chǎn)品配置推出不同特性的產(chǎn)品。
如SNRB Series功率電感器件，搭配XR終端中兩塊OLED顯示屏供電。
趙文慶表示，SIRB Series將支持1608（1.6mm*0.8mm=1.28mm²）的尺寸，同時具有優(yōu)異的飽和電流，非常低的DCR，高Q值的特性，SIRB Series的這種工藝，將探索更小的尺寸，1005（1.0mm*0.5mm=0.5mm²），該產(chǎn)品計劃在今年第三季度進入量產(chǎn)。
趙文慶說，一臺TWS耳機中，根據(jù)不同平臺所需，有3-9顆不等數(shù)量功率電感的需求，作為耳機內(nèi)主要元器件之一，他認為，隨著TWS耳機功能與性能的不斷升級，如LE Audio，空間音頻等，耳機的續(xù)航將是未來持續(xù)性的熱門話題之一。
針對TWS耳機功耗問題，三體微已布局更高效的SDHK系列產(chǎn)品來降低功耗。整機表現(xiàn)相比普通電感降低近1mA。針對空間：以目前耳機整板PCBA的高度，功率電感處于高度最高的元器件之一，三體微超薄型的功率電感，高度低至0.8mm和0.6mm的系列產(chǎn)品來降低PCBA高度，讓出更多的空間給到鋰電池。
①針對充電倉：
三體微SCCB Seires，注重的是針對快充應用，需要提供電池大電流充電，根據(jù)目前主流快充芯片對功率電感的要求，需要支持高頻工作，更低的DCR/ACR，提供更高效率的功率電感。
三體微SWFI Series具有小尺寸、高感量等特點，對于一些低頻的升壓電源，同等小尺寸的前提下，SWFI系列性價比更高。
②針對耳機：
三體微SDHK/L Series，支持小尺寸1608，全磁屏蔽，降低噪音，低DCR，優(yōu)化EMI干擾，優(yōu)化收發(fā)靈敏度的特點。
三體微SDHC Series，同樣是小尺寸1608，半磁屏蔽，對周圍降低噪音，專門針對普通的精密繞線電感，噪音優(yōu)化處理的一個最優(yōu)選擇。
隨著有線耳機的取消，三體微在TWS耳機領(lǐng)域開創(chuàng)全國首家高性能全磁屏蔽高性能功率電感器，并竭力開發(fā)全球最小封裝磁屏蔽精密繞線功率電感，降低電感工作時對周邊器件的磁干擾，提高耳機整機工作性能，主要表現(xiàn)在降低底噪，提高藍牙接收靈敏度，優(yōu)化噪音等，應用于可穿戴式產(chǎn)品備受期待。三體微的產(chǎn)品已應用到小米、VIVO、歐菲光、偉創(chuàng)力等國際型品牌的終端產(chǎn)品中。
更多玩家……
總結(jié)
可穿戴設備已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡目萍籍a(chǎn)品之一，這些設備讓人們學習、工作、健身鍛煉、旅行、通訊和監(jiān)控等事情變得更為方便。從產(chǎn)品體積來看，終端產(chǎn)品越發(fā)精致小巧多功能，其設備所需元器件也就越趨輕薄微型化。
為了提供更好的用戶體驗，高性能、小尺寸和低功耗是這些可穿戴設備設計的關(guān)鍵指標。我們也可以看到，國內(nèi)外電感器廠商參與者各式奇招，配合芯片電源廠商拿出自家優(yōu)勢方案，其中，一體成型電感方案應用最為普遍。
其實，除了設計工藝之外，不難看出，任何一家電感器廠商提升產(chǎn)品性能，都需開發(fā)高磁導率、低損耗的高性能磁性材料，以期制造出更低損耗、更高效率的電感器。
在設計思路上，國際大廠多從芯片電源管理方案出發(fā)，進而影響電感器的性能要求，應用數(shù)量等。在此，我們也希望，有更多電感器廠商能夠突破這一禁錮，走進可穿戴設備廠商芯片設計方案之中，向該領(lǐng)域貢獻更多國產(chǎn)電感器方案。
