【導讀】便攜式醫療設備硬件設計中相互矛盾的要求對工程團隊來(lái)說(shuō)是一個(gè)永遠的挑戰。這些始終開(kāi)啟的設備不僅要效率高，壽命長(cháng)，同時(shí)還要符合人體工程學(xué)設計以提高患者舒適度，特別是在需要24小時(shí)佩戴的情況下。相關(guān)系統不僅需要提供更高的性能，還應具有堅固的結構和超高的性?xún)r(jià)比。設計中采用的電源管理集成電路（PMIC）需要利用超低功耗架構，以?xún)?yōu)化健身跟蹤和醫療可穿戴應用中的測量靈敏度，從而實(shí)現高信噪比 (SNR)。
無(wú)論是從普通消費者，還是醫療保健的角度來(lái)看，移動(dòng)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(dòng)和健康作為目標市場(chǎng)方向的可穿戴設備，如今在醫療市場(chǎng)中也得到了廣泛應用。新一代醫療可穿戴設備已經(jīng)集成了一系列微機電系統（MEMS）傳感器，如加速度計、陀螺儀和心率監測器等。隨著(zhù)時(shí)間的推移，還會(huì )添加用于確定脈搏變化和皮膚電導等參數的傳感器，但問(wèn)題是這些傳感器都具有SNR問(wèn)題。為了順應醫療行業(yè)的發(fā)展趨勢，設計人員需要尋找新的節能解決方案，并將這些解決方案與更好的降噪技術(shù)結合起來(lái)。
降低光測量噪聲
各種生物因素都會(huì )影響光檢測的準確性，設計工程師一直試圖在提供更好的SNR技術(shù)來(lái)提高多種應用領(lǐng)域的測量靈敏度。低靜態(tài)穩壓器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(cháng)的建立時(shí)間。
心率是醫療領(lǐng)域的一個(gè)重要測量參數，不僅能簡(jiǎn)單的反映每分鐘的心跳次數，還可以收集身體運動(dòng)對于心跳的影響等大量信息，以便對心臟進(jìn)行監測。一種稱(chēng)為光電容積脈搏波（PPG）的光學(xué)測量方法通過(guò)皮下組織中動(dòng)脈和小動(dòng)脈的擴張來(lái)測量血容量變化，它還可用于確定血液中的氧飽和度 (SPO2)。在醫院里，醫生會(huì )在我們的手指上夾上夾子，通過(guò)夾子把光注入手指，并在另一側用光電二極管測量穿過(guò)手指的光透射變化。要確保連續可靠的心率測量，設計人員還需要解決幾個(gè)問(wèn)題。而操作的有效性還取決于多個(gè)因素，例如環(huán)境光的影響，LED和光電二極管之間的干擾，可穿戴設備在皮膚上的移動(dòng)等等。
Maxim Integrated的MAXM86161（圖1）是專(zhuān)門(mén)針對此類(lèi)應用的完備的超低功耗單通道、光學(xué)數據采集系統。該傳感器主要用于耳內醫療和移動(dòng)應用，并針對反射心率（HR）、血氧飽和度（SPO2）和心率變異性（HRV）的連續監測進(jìn)行了優(yōu)化。
MAXM86161的發(fā)射器端具有三個(gè)可編程高電流LED驅動(dòng)器，接收器端包含一個(gè)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(gè)低噪聲信號調理模擬前端（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(jiǎn)化框圖
優(yōu)化能源效率是改進(jìn)光學(xué)測量機制的一個(gè)限制因素。為了提高效率，采用了新型開(kāi)關(guān)結構代替標準的LDO穩壓器，使用各種電感來(lái)提供正確的電源總線(xiàn)電壓。電壓調節元件必須具備較低的高頻紋波，以便不會(huì )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工作。新升降壓變壓器技術(shù)的采用不僅可以節省電路板空間，還可以降低功耗。單電感多輸出（SIMO）降壓-升壓結構可以大大減少輸出特定電壓時(shí)所需的電感器和IC數量。
通過(guò)下一代PMIC實(shí)現高效電源管理
隨著(zhù)個(gè)人和遠程監控設備的日益成熟，減小尺寸、精確測量參數和延長(cháng)電池壽命都變得至關(guān)重要?？纱┐髟O備的能效優(yōu)化策略與停機時(shí)間管理（即只要有可能，設備必須處于待機模式）息息相關(guān)?？纱┐髟O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。
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用。該器件采用單電感多輸出（SIMO）升降壓開(kāi)關(guān)穩壓器，可使用單個(gè)電感提供兩個(gè)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(shí)，電池電壓可降至0.7V。這種結構允許輸出電壓高于或低于電池電壓。MAX20310還包括一個(gè)可編程電源控制器，允許器件用于要求真正關(guān)斷的應用，或便攜式醫療和可穿戴等始終導通的應用（見(jiàn)圖2）。
圖2: MAX20345的典型應用電路圖
Texas Instruments開(kāi)發(fā)的TPS6572x系列PMIC均集成了電池充電器和高效降壓轉換器，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200mA的輸出電流，而TPS657201、TPS657202和TPS65721均能夠提供高達400mA的電流。所有TPS6572xPMIC還集成了一個(gè)200mA LDO，其輸入電壓范圍為1.8V～5.6V，因此可以通過(guò)降壓轉換器輸出或直接通過(guò)系統電壓供電（見(jiàn)圖3）。
圖3: Texas Instruments的TPS6572x在輕負載時(shí)可進(jìn)入節能模式，實(shí)現高達92%的效率
結論
先進(jìn)的便攜式技術(shù)可以監測身體活動(dòng)、收集數據并提供實(shí)時(shí)響應，這將成為個(gè)性化護理的未來(lái)，為患者提供更大的便利并能提高醫護人員的工作效率。穿戴式健康監護設備必須具有高精度、高可靠性、易于管理、使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。通過(guò)采用能夠同時(shí)滿(mǎn)足功率預算和SNR需求的PMIC，可以生產(chǎn)出所需的監測設備，從而進(jìn)一步造福社會(huì )。
作者：Mark Patrick
Mark于2014年7月加入貿澤電子歐洲團隊，此前曾在Texas Instruments擔任過(guò)8年應用支持和技術(shù)銷(xiāo)售，并在歐時(shí)擔任過(guò)高級營(yíng)銷(xiāo)職務(wù)。Mark獲得了考文垂大學(xué)電子工程一級榮譽(yù)學(xué)位。
來(lái)源：貿澤電子。
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