スマートデバイス開発のための設計コンセプトとソリューション

よりスマートでコンパクトなBluetoothヘルスケアおよびウェアラブルデバイスの設計

コンパクトで厳しく要求されるBluetooth医療機器を構築するには、市場で最小のハードウェアコンポーネントを選択するだけではありません。Bill of Materials (BOM) を最適化し、統合されたBluetooth SoCおよびモジュールを使用し、医療アプリケーションで必要とされるさまざまな周辺機能や特徴を組み込むことで、製品サイズを小型化することができます。これにより、PCBの占有面積を大幅に削減し、設計の柔軟性を高め、コストを低減することが可能です。

Bluetoothヘルスケアデバイスを設計する際には、製品開発を迅速化し、より多くの機能を統合するためのいくつかの設計コンセプトを活用できます。まず、Bluetoothヘルスケアデバイスは統合されたAI/MLアクセラレーターを利用して、デバイスのインテリジェントな制御機能を強化できます。機械学習（ML）を使用することで、既存のモデルに基づいて大量のセンサーデータを処理し、不規則性を特定し、どのデータをクラウドに送信する必要があるかを判断することが可能です。現在では、無線デバイスが収集したすべてのデータをクラウドに送信して処理・分析することができます。デバイス上で重要なデータを特定することにより、特定のデータセットのみを送信することで貴重なリソースを節約し、バッテリー寿命を延長できます。

人工知能（AI）は、在宅での高齢者ケアなどの用途にも使用できます。これらの用途では、バイタルサインの監視、データ変化の追跡、歩行パターンの観察、そして全般的な異常パターンの識別などが、提供者にとって重要な診断データを提供することができます。また、介護者や家族への命を救うアラートを発信することで、患者の生活の質を大幅に向上させ、さらには命を救うことも可能です。

さらに、これらの製品には、多くのワイヤレスヘルスケアおよびウェアラブルデバイスでセンサ測定やバッテリ電源監視に使用できるADCなど、より多くのアナログペリフェラルの統合が必要です。離散アナログフロントエンド（AFE）ソリューションを使用する持続グルコースモニタリング（CGM）およびその他のポータブルヘルスケアデバイスのメーカーにとって、ADCおよびDACはチップ上で使用できる2つの重要な機能です。

省エネ効率とバッテリー寿命を向上させる低消費電力

DC-DCコンバータは、バッテリー駆動の医療機器にとって重要なコンポーネントです。ブーストコンバータは、入力範囲が0.8～1.7Vのアルカリ電池や酸化銀電池などの低電圧バッテリーをSoCで利用可能にします。これにより、Bluetooth SoCが低電圧で動作することが可能になります。バックコンバータは、リチウムコイン電池などの他の3VバッテリーをSoCで利用可能にし、エネルギー効率を向上させ、バッテリー寿命を延ばしたりバッテリーサイズを小さくすることができます。

重要なヘルスケアアプリケーションにおいて予期せぬバッテリー消耗を予測し防ぐために、電荷測定デバイスであるクーロンカウンターは、バッテリーの充電を正確に追跡し、安全性とユーザー体験を向上させます。さらに、低周波RCオシレーターはBluetooth Low Energy (LE) 2.4 GHzアプリケーションにおける重要なコンポーネントであり、Bluetooth LE SoCが±500 ppmの指定されたスリープクロック精度を満たす必要があります。

医療機器やウェアラブルデバイスで使用される低消費電力レベルを考慮すると、マッチングネットワークで許容可能なRF性能を維持しながら、PCB層数と設計内の部品数を減らすことが重要です。Bluetoothデバイスの消費電力を最小限に抑えることは、デバイスメーカーがデバイスのフォームファクタを縮小することを可能にします。

世界のAR/VRデバイス市場における有望な展望

今日の消費者はますますホームセントリックになっています—仕事、教育、医療、買い物、そしてエンターテインメントが自宅からアクセス可能である必要があります。AR/VR技術によって、現実世界とデジタル世界の境界線は交差しています。AR/VR対応のヘッドマウントディスプレイ (HMD) を着用し、ハンドヘルドコントローラーを手に取れば、真に3Dゲームや映画に没入することができます。または、自宅からリアルなバーチャルショッピングモールに入り、新しい服を試着したり、新しいソファがどのように見えるかを確認することも可能です。AR/VRアプリケーションは、消費者体験を向上させ、私たちの生活をより効率的にします。2027年までに、世界のAR/VRデバイス市場は、AR/VRアプリケーションにおいて26%の年平均成長率 (CAGR) が見込まれています。

ウェアラブルAR/VRデバイスは、ユニークなワイヤレス設計課題を提示します。バッテリー寿命と充電間隔を最大化しつつ、バッテリー重量を最小限に抑えるために、非常にエネルギー効率が高くなければなりません。同時に、自然な視覚体験を提供するために、高帯域幅のビデオ処理が必要です。VRコントローラーとHMD間の遅延は非常に重要であり、ジェスチャーや動作へのタイムリーな反応を可能にするために遅延を最小化する必要があります。

ARおよびVRアプリケーションには、3つの主要な無線要件があります: 低消費電力、低遅延、そして安定した接続です。VRコントローラー、スマートグラス、AR/VRヘッドセットなど、バッテリーや充電式デバイスのユーザー体験を向上させるには、エネルギー効率が重要です。さらに、接続デバイスのユーザーにとってセキュリティは最優先事項の1つであり、HMDやVRコントローラーは家庭内ネットワークへの悪意ある攻撃のゲートウェイとなる可能性があります。

高集積Bluetooth low energy SoC

Silicon Labsは、Bluetooth無線接続および制御アプリケーション向けに多様なSoCおよびモジュールを提供しています。以下に、主な製品とその特徴を示します。

EFR32BG22シリーズは、エネルギー効率と受信感度（RX）で知られる最先端のBluetooth Low Energy（BLE）SoCであり、エネルギーを節約するスマートエンターテインメントデバイスに最適です。このSoCはわずか4 x 4 mmのサイズで、Secure Vault機能をサポートしています。Wireless Gecko Series 2プラットフォームの一部であるEFR32BG22およびEFR32BG22E BLE SoCソリューションは、エネルギー効率に強く焦点を当てて設計されており、超低伝送および受信電力を提供します。高性能で低消費電力のArm® Cortex®-M33コアは、業界をリードするエネルギー効率を提供し、ボタン電池の寿命を最大10年まで延ばす可能性を秘めています。

Silicon LabsのBG22は、省エネルギーなアプリケーションの作成を支援し、BG22E ("E"はEnergy Conservationを意味します) はバッテリー寿命を延ばし、完全にバッテリー不要な設計をサポートすることで、エネルギー効率をさらに向上させます。BG22およびBG22Eシリーズは、Ambient IoTやエネルギーハーベスティングデバイスに最適なSoCです。対象となるアプリケーションには、Bluetoothメッシュネットワーク内の低消費電力ノード、スマートロック、個人向け医療およびフィットネスデバイスなどがあります。

EFR32BG27シリーズは、超小型で超低消費電力のSoCを特徴としており、高性能Bluetooth Low Energyをサポートしています。このシリーズは、WLCSP（2.3 x 2.6 mm）およびQFNパッケージで提供され、広い電圧範囲に対応するDCDCブーストコンバータと正確なバッテリーレベルトラッキングを可能にするクーロンカウンターを含み、PSAレベル2セキュリティをサポートします。EFR32BG27シリーズのワイヤレスSoCはボタン電池で動作可能であり、デバイスメーカーに新たな可能性を提供します。このシリーズは、極めて小型フォームファクタのアプリケーション要件を満たしながら、性能とセキュリティを犠牲にすることなく利用できます。

BG27 Bluetooth SoCはDCDCブースト機能を統合しており、0.8ボルトまでの低電圧での動作を可能にし、単セルアルカリ電池や1.5ボルトのボタン型電池をサポートします。さらに、BG27のウェイクアップピンにより、製品は倉庫での保管や輸送中に数か月間オフの状態を維持でき、20 nA未満の電力消費でバッテリーを保持します。統合されたクーロンカウンターは、バッテリーレベルを正確に監視し、重要な用途での予期しないバッテリー切れを防ぎます。対象アプリケーションには、接続型ヘルスケアデバイス、ウェアラブル、センサー、スイッチ、スマートロック、商用およびLED照明が含まれます。

EFR32BG24は、統合型AI/MLアクセラレーターおよび最高のPSAレベル3認証を備えたSecure Vault™を特徴とする、高性能のワイヤレスおよび低消費電力SoCで、バッテリー効率に優れたスマートウェアラブルデバイスに適しています。EFR32BG24ワイヤレスSoCは、Bluetooth Low EnergyおよびBluetooth Meshネットワークを使用したIoTワイヤレス接続に理想的であり、スマートホーム、照明、携帯型ヘルスケア製品に適しています。

高性能な2.4 GHz RF、低消費電力、AI/MLハードウェアアクセラレーター、そしてSecure Vault™を備えていることで、IoTデバイスメーカーはスマートで堅牢かつエネルギー効率の高い製品を作成し、リモートおよびローカルのサイバー攻撃から保護することができます。ARM Cortex®-M33は最大78 MHzで動作し、1.5 MBのフラッシュメモリと256 kBのRAMを搭載しており、要求の厳しいアプリケーションに対応するリソースを提供しつつ、将来の拡張の余地も確保しています。ターゲットアプリケーションには、ゲートウェイ/ハブ、センサー、スイッチ、ドアロック、スマートプラグ、LED照明、灯具、血糖値測定器、パルスオキシメーターなどが含まれます。

超低消費電力IoTワイヤレスデバイス向けソリューション

EFR32FG22 (FG22) シリーズ 2 専用ワイヤレス 2.4 GHz SoC は、業界最高水準の省エネルギー効率と受信機 (RX) 感度を提供し、省エネルギー型のスマートエンターテインメントデバイスに最適です。わずか4 x 4 mmの小型フットプリントを特徴とし、Secure Vault機能をサポートしています。EFR32FG22 および EFR32FG22E 専用ワイヤレス 2.4 GHz SoC ソリューションは、Wireless Gecko Series 2 プラットフォームの一部です。

FG22 SoCは、TrustZoneを備えた38.4 MHzのArm® Cortex®-M33コアと、受信感度-102.3 dBmの高性能無線を統合しています。FG22は、省エネアプリケーションの作成を可能にし、FG22E（「E」はEnergy Conservationを指します）は更に省エネメリットを強化し、バッテリー寿命を延長し、完全にバッテリー不要の設計をサポートします。このSoCは、超低送信および受信電力（+6 dBmで8.2 mA TX、3.6 mA RX）、1.2 µAのディープスリープモード電力、そしてRFSenseなどの革新的な低電力機能を組み合わせており、業界トップクラスのエネルギー効率を提供し、制限されたバッテリーまたはエネルギーハーベスティングオプションを持つ製品の寿命を延ばします。

Silicon Labs RS9116 Wireless Moduleは、統合アンテナを備えた超低消費電力のRF認定Wi-Fi 4 SiPモジュール（802.11 b/g/n）であり、Bluetooth Low Energy、Bluetooth Classic、およびセキュアなネットワークプロトコルスタックをサポートしています。このモジュールは4.63 x 7.90 x 0.9 mmというコンパクトなサイズに収められています。RS9116 Wireless Moduleは、シングルバンドおよびデュアルバンドのバージョンが提供されており、Wi-FiおよびデュアルモードBluetooth 5を含む包括的なマルチプロトコル無線接続ソリューションを提供します。このワイヤレスモジュールは、電力最適化された性能を備え、高速データスループットと広範な範囲を実現し、FCC、IC、およびETSI/CE認証を取得しています。

SiWx917 Wi-Fi 6 および Bluetooth Low Energy 5.4 Wireless SoC は、低消費電力の Wi-Fi 6 と Bluetooth Low Energy をサポートする SoC で、省エネルギー型スマートデバイスに適しており、最大 8 MB のフラッシュメモリと外部 PSRAM を備えています。SiWx917 SoC は Silicon Labs の最低消費電力の Wi-Fi 6 SoC であり、Wi-Fi®、Bluetooth、Matter、および IP ネットワークを使用してクラウドへの安全な接続を提供する、超低消費電力 IoT ワイヤレスデバイスに理想的であり、長持ちするバッテリーで稼働するデバイスの開発に最適です。

SiWx917 SoCは、超低消費電力のWi-Fi 6およびBluetooth Low Energy 5.4のワイヤレスCPUサブシステム、統合されたマイクロコントローラ（MCU）アプリケーションサブシステム、セキュリティ機能、周辺機器、および電力管理サブシステムを含み、すべて7 x 7 mmのQFNパッケージに統合されています。ワイヤレスサブシステムは、最大160 MHzで動作するマルチスレッドプロセッサ、ベースバンドデジタル信号処理、アナログフロントエンド、2.4 GHz RFトランシーバ、統合されたパワーアンプで構成されています。

SiWx917 のアプリケーションサブシステムは、最大 180 MHz で動作する ARM® Cortex®-M4F、組み込み SRAM、フラッシュメモリ、センサーハブで構成されています。ARM® Cortex®-M4F は、周辺機器およびアプリケーション関連の処理に専念し、ネットワークワイヤレスプロセッサは独立したスレッドでワイヤレスおよびネットワークプロトコルスタックを実行し、さまざまな組み込み型ワイヤレス IoT アプリケーションに完全統合ソリューションを提供します。対象アプリケーションには、スマートホーム、消費者健康およびウェアラブル、ヘルスケア、産業、小売、スマートビルおよび都市、そして資産追跡が含まれます。

結論

今日の急速に進化する技術環境において、スマートデバイスの開発は単なる技術革新に留まらず、ユーザーのニーズを満たし、生活の質を向上させるための重要な手段となっています。スマートデバイスを設計する過程で、設計者は先進的なセンサー技術、ビッグデータ分析、および人工知能を活用することができます。これらの最新技術により、スマートデバイスはより効率的で知的な相互作用方法を実現し、ユーザーにとってより便利で快適な生活体験を提供します。Silicon Labsは包括的な製品ソリューションと技術サポートサービスを提供しており、関連製品を開発する際の最高のパートナーの一つとなっています。