【導(dǎo)讀】便攜式醫(yī)療設(shè)備硬件設(shè)計中相互矛盾的要求對工程團(tuán)隊來說是一個永遠(yuǎn)的挑戰(zhàn)。這些始終開啟的設(shè)備不僅要效率高，壽命長，同時還要符合人體工程學(xué)設(shè)計以提高患者舒適度，特別是在需要24小時佩戴的情況下。相關(guān)系統(tǒng)不僅需要提供更高的性能，還應(yīng)具有堅固的結(jié)構(gòu)和超高的性價比。設(shè)計中采用的電源管理集成電路（PMIC）需要利用超低功耗架構(gòu)，以優(yōu)化健身跟蹤和醫(yī)療可穿戴應(yīng)用中的測量靈敏度，從而實現(xiàn)高信噪比 (SNR)。
無論是從普通消費者，還是醫(yī)療保健的角度來看，移動網(wǎng)絡(luò)的日益普及已經(jīng)成為可穿戴技術(shù)發(fā)展中最重要的考慮因素之一。最初以運動和健康作為目標(biāo)市場方向的可穿戴設(shè)備，如今在醫(yī)療市場中也得到了廣泛應(yīng)用。新一代醫(yī)療可穿戴設(shè)備已經(jīng)集成了一系列微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器，如加速度計、陀螺儀和心率監(jiān)測器等。隨著時間的推移，還會添加用于確定脈搏變化和皮膚電導(dǎo)等參數(shù)的傳感器，但問題是這些傳感器都具有SNR問題。為了順應(yīng)醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展趨勢，設(shè)計人員需要尋找新的節(jié)能解決方案，并將這些解決方案與更好的降噪技術(shù)結(jié)合起來。
降低光測量噪聲
各種生物因素都會影響光檢測的準(zhǔn)確性，設(shè)計工程師一直試圖在提供更好的SNR技術(shù)來提高多種應(yīng)用領(lǐng)域的測量靈敏度。低靜態(tài)穩(wěn)壓器IC通常具有可降低SNR的特性，例如高幅值波紋、低頻波紋和較長的建立時間。
心率是醫(yī)療領(lǐng)域的一個重要測量參數(shù)，不僅能簡單的反映每分鐘的心跳次數(shù)，還可以收集身體運動對于心跳的影響等大量信息，以便對心臟進(jìn)行監(jiān)測。一種稱為光電容積脈搏波（PPG）的光學(xué)測量方法通過皮下組織中動脈和小動脈的擴(kuò)張來測量血容量變化，它還可用于確定血液中的氧飽和度 (SPO2)。在醫(yī)院里，醫(yī)生會在我們的手指上夾上夾子，通過夾子把光注入手指，并在另一側(cè)用光電二極管測量穿過手指的光透射變化。要確保連續(xù)可靠的心率測量，設(shè)計人員還需要解決幾個問題。而操作的有效性還取決于多個因素，例如環(huán)境光的影響，LED和光電二極管之間的干擾，可穿戴設(shè)備在皮膚上的移動等等。
Maxim Integrated的MAXM86161（圖1）是專門針對此類應(yīng)用的完備的超低功耗單通道、光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該傳感器主要用于耳內(nèi)醫(yī)療和移動應(yīng)用，并針對反射心率（HR）、血氧飽和度（SPO2）和心率變異性（HRV）的連續(xù)監(jiān)測進(jìn)行了優(yōu)化。
MAXM86161的發(fā)射器端具有三個可編程高電流LED驅(qū)動器，接收器端包含一個高效PIN光二極管和一路光學(xué)讀取通道。光學(xué)讀取通道具有一個低噪聲信號調(diào)理模擬前端（AFE），由19位ADC和環(huán)境光消除（ALC）電路組成,可支持柵欄檢測和替換算法。
圖1: MAXM86161的簡化框圖
優(yōu)化能源效率是改進(jìn)光學(xué)測量機(jī)制的一個限制因素。為了提高效率，采用了新型開關(guān)結(jié)構(gòu)代替標(biāo)準(zhǔn)的LDO穩(wěn)壓器，使用各種電感來提供正確的電源總線電壓。電壓調(diào)節(jié)元件必須具備較低的高頻紋波，以便不會直接影響心率測量。LED必須在不同于鋰離子電池的電壓范圍內(nèi)工作。新升降壓變壓器技術(shù)的采用不僅可以節(jié)省電路板空間，還可以降低功耗。單電感多輸出（SIMO）降壓-升壓結(jié)構(gòu)可以大大減少輸出特定電壓時所需的電感器和IC數(shù)量。
通過下一代PMIC實現(xiàn)高效電源管理
隨著個人和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的日益成熟，減小尺寸、精確測量參數(shù)和延長電池壽命都變得至關(guān)重要。可穿戴設(shè)備的能效優(yōu)化策略與停機(jī)時間管理（即只要有可能，設(shè)備必須處于待機(jī)模式）息息相關(guān)。可穿戴設(shè)備的PMIC需支持非常低的輸入電壓，并采用高能量密度電池架構(gòu)。
Maxim Integrated的MAX20310是一款緊湊型電源管理集成電路（PMIC），適用于對尺寸和效率要求較高的空間受限電池供電應(yīng)用。該器件采用單電感多輸出（SIMO）升降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，可使用單個電感提供兩個可編程電源軌，大大縮小了尺寸。
MAX20310使用鋅空氣、氧化銀或堿性電池時，電池電壓可降至0.7V。這種結(jié)構(gòu)允許輸出電壓高于或低于電池電壓。MAX20310還包括一個可編程電源控制器，允許器件用于要求真正關(guān)斷的應(yīng)用，或便攜式醫(yī)療和可穿戴等始終導(dǎo)通的應(yīng)用（見圖2）。
圖2: MAX20345的典型應(yīng)用電路圖
Texas Instruments開發(fā)的TPS6572x系列PMIC均集成了電池充電器和高效降壓轉(zhuǎn)換器，允許使用相對較小的電感和電容，解決方案尺寸更小。TPS65720可提供高達(dá)200mA的輸出電流，而TPS657201、TPS657202和TPS65721均能夠提供高達(dá)400mA的電流。所有TPS6572xPMIC還集成了一個200mA LDO，其輸入電壓范圍為1.8V～5.6V，因此可以通過降壓轉(zhuǎn)換器輸出或直接通過系統(tǒng)電壓供電（見圖3）。
圖3: Texas Instruments的TPS6572x在輕負(fù)載時可進(jìn)入節(jié)能模式，實現(xiàn)高達(dá)92%的效率
結(jié)論
先進(jìn)的便攜式技術(shù)可以監(jiān)測身體活動、收集數(shù)據(jù)并提供實時響應(yīng)，這將成為個性化護(hù)理的未來，為患者提供更大的便利并能提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率。穿戴式健康監(jiān)護(hù)設(shè)備必須具有高精度、高可靠性、易于管理、使用壽命長等特點。通過采用能夠同時滿足功率預(yù)算和SNR需求的PMIC，可以生產(chǎn)出所需的監(jiān)測設(shè)備，從而進(jìn)一步造福社會。
作者：Mark Patrick
Mark于2014年7月加入貿(mào)澤電子歐洲團(tuán)隊，此前曾在Texas Instruments擔(dān)任過8年應(yīng)用支持和技術(shù)銷售，并在歐時擔(dān)任過高級營銷職務(wù)。Mark獲得了考文垂大學(xué)電子工程一級榮譽學(xué)位。
來源：貿(mào)澤電子。
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