低功耗Mantra环绕着下一代医疗可穿戴设备

监测和跟踪心率，呼吸，活动和其他健身相关数据的健身乐队现在是日常消费品，但它们只是更大的可穿戴健康，健身和医疗领域中最明显的一部分。现在，可穿戴设备开始在医院和家庭中转变医疗保健，帮助降低成本，增加患者对自己护理的参与，提供全天候监控，甚至根据预设的时间表管理药物。

可穿戴医疗设备可以监控广泛的临床测量：心率和呼吸，以及氧气水平，血糖水平，水合作用，血压，皮肤电导，温度，大脑活动等诊断指标。然后记录数据并以无线方式传达给医务人员，他们有潜在问题的永久记录和预警。

与许多其他医疗监测技术一样，ECG已经从昂贵的固定基础机器发展成为低成本的可穿戴设备。（资料来源：TI“生物启发传感的进步帮助人们过上更健康的生活”PDF）

从笨重的固定基座安装过渡到患者几乎没有注意到的微小模块已经很长时间了（图1）。例如，当第一个心电图（ECG）机器出现在1908年时，它需要五个人操作并且患者必须将每个肢体放置在一桶盐水中。尽管如此，这比之前的情况有了很大的改进：直到19世纪末，医学科学家才能通过直接检查心脏来记录心脏活动。当然，它的主人必须死了，但仍然.......

当前的医疗可穿戴设备不仅可以监控患者的心跳。它们将多种功能组合到一个生物传感器中。例如，VitalConnect的临床级VitalPatch包含ECG电极，三轴MEMS加速度计和热敏电阻。除心率外，该贴片还可实时监测呼吸频率，皮肤温度以及身体姿势，活动水平和跌倒检测等指标。医院工作人员可以通过医院网络上的网络设备访问信息。

必须降低权力

几乎所有手持式和可穿戴产品都有一个共同点：每一代产品都包含更多的功能和更高的性能。这些功能的组合通常会增加功耗，但可穿戴设备是电池供电的，并且通常不可能增加电池的物理尺寸，因为较小的封装也是典型的产品要求。

最简单的解决方案可能是让用户只需更换新电池，然后离线为已用完的设备充电。然而，对于设计师来说，将电池密封在外壳中会带来许多优势 - 它可以为增加的功能腾出空间; 提供灵活性，可以改变标准矩形以外的电池形状; 允许更小，更纤薄的包装; 并改善对水和灰尘侵入的抵抗力。

因此，可拆卸电池大部分已从智能手机，健身带和类似设备中消失。医疗可穿戴设备比消费设备有更严格的要求。它们必须不受各种化学品的影响，包括溶剂和体液，电池必须一次使用几天。

由于更换电池不是一种选择，因此需要采用多方面的设计解决方案来平衡圆形，同时在供应和需求方面进行创新。两个明显的选择是：

<ul style="color:#333333;font-family:"font-size:15px;background-color:#FFFFFF;">

• 供应：提高电池本身的性能，使更小的电池可以保持更多的能量。

• 需求：降低可穿戴电子设备的功耗，以增加所选电池的运行时间

在供应方面，锂离子电池的性能仍在不断提高，其他化学品正逐渐进入生产阶段。然而，大多数工作都在需求方面进行，集成电路制造商正在从头开始设计组件，以便在每种操作模式下实现最低功耗。

可穿戴应用中的部件在正常操作期间必须是节能的，但是许多可穿戴设备仅需要例如以间隔进行心率测量，并且可以将大部分时间花在低功率睡眠状态。因此，大多数设备包括切换到低功率模式并根据需要快速唤醒的能力。

TI的MSP430系列超低功耗微控制器（MCU）就是一个很好的例子。除了全面的外设集外，MSP430器件还具有多种低功耗模式，并针对便携式和可穿戴应用中的延长电池寿命进行了优化。

这种脉搏血氧仪参考设计仅为0.609×0.413英寸。（来源：TIDA-00311-微型脉搏血氧仪参考设计）

这些低功耗特性在TI的微型脉搏血氧仪参考设计中 得到了充分利用（图2）。控制MSP430F5528在待机模式下仅消耗1.9μA电流，电源电压为2.2 V. 该参考设计的AFE4403集成模拟前端（AFE）针对此应用进行了优化，因此它具有动态关断模式，可在每个脉冲重复周期的未使用部分期间关闭模块。

另一种医疗可穿戴参考设计 （图3）实现了一个多参数患者监护仪，该监护仪使用AFE4900单芯片生物传感前端提供同步心电图（ECG）和光电容积脉搏波描记（PPG）测量。然后，CC2640R2F蓝牙低功耗（BLE）微控制器将测量数据传输到附近的平板电脑或智能手机。该MCU采用运行频率为48 MHz的32位Arm Cortex-M3内核，针对长电池寿命和小尺寸应用进行了优化。

3. TIDA-01580参考设计是基于AFE4900生物传感器的多参数患者监护仪。（来源：TI设计：TIDA-01580“可穿戴，无线，多参数病人监护仪参考设计”PDF）

原始数据可用于计算标准临床指标：心率，血液中的氧浓度（SpO 2），脉搏传导时间（PTT）和ECG。两个板载发光二极管（LED）指示用户的低电池检测和ECG导联检测。

虽然这种设计使用可更换电池，但低功耗仍然是首要任务。例如，CC2640R2F MCU在有功和低功耗模式下都具有低电流消耗。它包括一个传感器控制器，能够在芯片的其余部分处于睡眠模式时自动收集模拟和数字数据。完整的参考设计可以从一个CR3032纽扣电池运行30天。

新解决方案提高电池充电效率

在努力降低功耗的同时，不断推动改善充电系统的性能以最大化电池充电并最小化停止服务的时间。

德州仪器（TI）开发了多种参考设计，以帮助工程师为消费产品开发超低功耗电池充电电路。许多设计技术直接适用于具有同等要求的医疗可穿戴设备。

例如，无线耳塞通过手提箱内的电池充电。充电器必须具有高效率和小尺寸。图4显示了无线耳塞电池充电系统的超低待机功耗参考设计。该设计可提供高达1.5 A的快速充电，充电精度为1 mA。

用于无线耳塞的电池充电系统依赖于USB电源。（来源：TI设计：TIDA-050007“用于无线耳塞式电池充电器的超低待机功耗参考设计PDF）

大多数电路都位于耳塞式充电盒中。该bq24073锂离子电池充电器从USB输入和充电电池BAT1得电，以及供电的TPS61099同步升压转换器提供电源的耳塞电池BAT2。耳塞包含bq25100A电池充电器，可以精确控制耳塞式250-mA单节锂离子电池的充电周期。两种充电器都遵循特有的三相锂离子充电曲线：调节，恒定电流和恒定电压。BAT1在没有USB连接的情况下提供充电电流。

由于低充电电流，可以为两个电池充电器选择线性拓扑。线性设计比等效开关设计更紧凑，成本更低，因为它们不需要大而昂贵的电感器。虽然线性充电器的热性能不如更高效的开关设计，但它足以满足这种应用。在更高的电流水平下，切换器更可取。

甲TLV713P 150毫安低压降稳压器（LDO）提供一个2.5 V电源轨MSP430FR2100，其监视所述充电电流，并控制TPS61099升压转换器的输出电压的微控制器。

当USB输入电压高于所需输出电压时，充电器参考设计支持直通模式。该设计实现了高于85％的效率，待机电流仅为18μA。

能量收集：电子“免费午餐”？

随着组件的功耗不断降低，医疗可穿戴设计人员可以研究使用能量收集对电池充电的新方法。换句话说，利用否则会浪费的环境能量。

太阳能，来自静电的摩擦电能，来自运动的动能和热量都可以转换成电能。然后，能量将补充可穿戴电池并延长充电周期之间的时间。理想情况下，设备可以完全由环境能量供电并完全消除电池。

提高转换装置的效率是一个积极研究的领域。最新的染料敏化的光伏（太阳能）电池（DSSC），例如，可以输出20-25μW/厘米2  的功率在200勒克司（流明/米的照度2）-A低得多的照明电平比600-在一个典型的办公室找到1500勒克斯。

基于薄膜技术的热电发电机（TEG）具有前景，研究人员甚至展示了由直径为1-2原子的纳米线组成的热电结构。由于人体中自然产生的热源，TEG在增加植入式医疗设备的电池寿命方面具有很大的前景。

可穿戴设备非常小，因此安装太阳能电池或添加TEG的空间的表面积有限。因此，收获的功率非常小 - 微瓦到毫瓦 - 并且原始输出电压必须提升到有用的水平。但是，对于超低功耗IC，例如MSP430 MCU和上述其他器件，它仍然足够。

德州仪器（TI）提供一系列超低功耗能量采集IC，适用于各种医疗健身和工业应用。这些IC适用于多种储能技术，包括电池（锂离子电池，锂聚合物，铅酸，镍氢电池和镍镉化学品）和超级电容器。

5. bq25570是从太阳能电池和类似来源获取能量的有效方法。（来源：TI E2E：“自供电医疗监测设备：利用自由环境能量”）

的bq25570超低功率采集器和电源管理IC被设计为有效地从高输出阻抗的太阳能电池或提取的TEG功率而不塌陷这些来源（图5） 。该器件集成了高效的升压充电器和纳米功率降压转换器，可为具有严格功率和操作要求的系统提供第二个电源轨，例如无线传感器网络（WSN）。

由于提取的功率可以有很大差异，因此bq25770具有电池管理功能，可确保可充电电池始终保持在其安全工作区域（SOA）内 - 在放电期间既不会过度充电也不会耗尽超出安全限值。该器件采用小型20引脚，3.5×3.5 mm QFN封装。类似的设备包括bq25504和  bq25505。

结论

可穿戴设备代表了当前和未来的医疗保健浪潮。它们在从实时患者监测到药物输送的多个领域中具有前景，但是可用于电池的小空间对设计者施加了严格的限制，特别是在功耗方面。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。