管理ASIC智能可穿戴醫(yī)療設備設計的權衡

定制ASICS使OEM能夠更好地平衡功能和需求,但是沒有什么東西是完美的。幾乎所有的應用程序都是如此,特別是在先進的可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)中,在這些系統(tǒng)中,功率預算、功能和形式因素都在嚴格的約束下運行。在本文中,我們研究了在采用ASIC方法時可能面臨的一些關鍵性權衡,以及如何更有效地平衡這些權衡。

用于醫(yī)療保健和健康應用的智能穿戴技術是一個巨大的機遇。潛在的設計從智能石膏到手腕監(jiān)視器到治療系統(tǒng)。但是,一組常見的約束將許多這些設備結合在一起,其中最重要的是精確度、能源使用率、尺寸和成本。

雖然其中每一個都對硬件設計有重要影響,但設計師們需要面對的權衡往往主要集中在設備的能源配置上。隨著活動的變化,耗電量的變化如何經常支配著架構決策,以及設計能滿足其他約束的程度。

注意1:功能總是與電池尺寸相對

附加電池的容量將限制可供給設備的能量。采用能量采集的無電池設計將受到更大的限制。能量限制將控制設計的幾個方面.從系統(tǒng)設計的角度來看,在所有級別上影響最大的決定是職責周期的決定。

雖然許多醫(yī)療保健設備以"永遠開著"的姿態(tài)出現(xiàn),但在大多數(shù)情況下,高效率的設計將確保大多數(shù)電路在低工作周期中運行:在投入使用之前,盡可能長時間地睡眠和停止供電。在現(xiàn)代工藝節(jié)點中,為了防止耗電的晶體管中不斷流動的泄漏電流,電子開關是必不可少的。例如,實現(xiàn)多個時鐘和電源域,確保電源只供應給在適當時間需要的子系統(tǒng)。

很多時候,系統(tǒng)中唯一的部分在任何時候都是活躍的,是一個高功耗的定時器和內存緩沖區(qū),它定期喚醒前端電路,以執(zhí)行數(shù)據轉換并將數(shù)據移動到緩沖區(qū)。電路或固件可以監(jiān)視傳入的數(shù)據,以查看是否超過了某些閾值或緩沖區(qū)是否滿了。如果是這樣的話,邏輯可以觸發(fā)狀態(tài)轉換,該狀態(tài)轉換會喚醒一個監(jiān)控微控制器來分析數(shù)據。在這一級作出的決定可能會導致更多的系統(tǒng)部分被喚醒,以采取進一步行動。這一行動的形式可能是通過藍牙將數(shù)據轉發(fā)給另一個iot設備或智能手機主機。

雖然睡眠和清醒周期可以在軟件或固件級別進行管理,但這不一定是最優(yōu)的電力效率。這也是使用前端ASIC在考慮全系統(tǒng)電源消耗時能帶來顯著優(yōu)勢的一個原因。前端ASIC通?？梢蕴峁υ诂F(xiàn)成前端數(shù)據轉換器的預定狀態(tài)下可能無法獲得的功率狀態(tài)進行微調控制的能力。

注意2:性能與電池尺寸

許多現(xiàn)成的高分辨率ADCS采用了西格瑪三角洲結構。在這個體系結構中,數(shù)字濾波器部分從一個相對簡單的模擬輸入階段交換了解析率樣本,這是一種在現(xiàn)代半導體工藝中以相對較低的成本提供高精度和動態(tài)范圍的設計方法。高動態(tài)范圍可以幫助管理對醫(yī)療設備的干擾,在那里經常有顯著的噪音與感興趣的信號混合在一起。

由一個相對強大的處理器捕獲的數(shù)字信號處理可以從可能相對較小的信號中過濾出大部分噪聲和干擾。不幸的是，這種策略的組合導致了一個耗電的系統(tǒng)。DSP執(zhí)行的過采樣和濾波不僅需要大量的能量，還需要主機微控制器所需的廣泛的數(shù)字后處理，每次捕獲可能需要活躍的。

當抽取濾波器被放大以實現(xiàn)高分辨率時，sigma-增量轉換器的高延遲可能會加劇這個問題。從捕獲序列開始獲取每個樣本塊所需的時間可能會導致主機微控制器/系統(tǒng)的占空比比率的增加。一個更節(jié)能的解決方案是專注于處理更靠近源的干擾,并使用混合信號電路來處理共同的噪聲源,這樣一個更清潔,更低速率的信號可以傳輸?shù)街鳈C微控制器。

這種類型的設計通常使用自定義的DSP在ASIC上進行數(shù)字濾波的過度集中信號的兩個目的。通過消除大干擾者在源頭的影響,可以減少對ADC的動態(tài)范圍要求。第二,濾波信號可以用較低的采樣速率傳輸?shù)轿⑻幚砥?從而降低電路活動,從而降低功率。

進一步的節(jié)省可以通過在ASIC上的內存中緩沖一些輸出樣本,在不經常的時間間隔中喚醒微控制器來讀取和處理它們來實現(xiàn)。在這個限度內,只有特定的信號特征或事件,例如異常心率值,才可以被傳送、記錄,或喚醒系統(tǒng)以便采取進一步行動。由于輸出樣本率現(xiàn)在很低,通過將輸出樣本存儲在ASIC上也可以獲得更大的功率節(jié)約,而且只能很少地喚醒單片機來讀取它們。

由于對高動態(tài)范圍的需求較少,由此產生的ASIC反過來可以采用一種更少能源密集的轉換結構。它可能仍然是一個西格瑪三角轉換器,但使用了一個更簡單的,低延遲的抽取濾波器階段。這樣的設計有一個較短的啟動開銷,使其更快速的電源和斷電周期或多路復用跨輸入通道。

另一個選擇是成功的近似(SAR)設計,因為這是一個提供高能源效率的整體架構。對于緩慢變化的輸入,電荷整合電路可以提供能量使用、分辨率和捕獲率的最佳組合。

注意3:功能與封裝

前端ASICS的一個重要特點是它們可以非常有空間效率。硅的尺寸通常小于3x3mm,這使設備非常適合于小包裝尺寸的醫(yī)療可穿戴。

然而,使用充分利用ASIC緊湊性的芯片規(guī)模的包將會導致從設備的有限數(shù)量的I/O連接。這與建立更多傳感器輸入系統(tǒng)的趨勢相反.多重輸入提供了探測更多皮膚部位的能力,以獲得更好的信號。智能醫(yī)療可穿戴性越來越多地結合來自不同傳感器模式的數(shù)據,以改進總體結果,同時,更有效地處理來自個人輸入的噪音。

平衡芯片尺寸和I/O連接增加之間的平衡的一個傳統(tǒng)方法是移動到比標準的4.4mm高的音高密度的包。權衡的是,這可能會增加整個系統(tǒng)的成本,因為將需要在印刷電路板和裝配技術的變化,以處理更小的電路跟蹤。另一種選擇是增加I/O通道上的多路復用級別,特別是對于外部微控制器的連接。

串行端口上的多路處理提供了一種有效的方式,可以根據數(shù)據吞吐量進行密碼計數(shù)。在使用哪種協(xié)議方面有靈活性。如果它能支持設備所需的數(shù)據速率,使用兩線i2c而不是四線SPI釋放出兩個潛在的珍貴I/O針。

另一個節(jié)省針計數(shù)的來源是通過電路設計技術,避免使用外部的鈍化器,如電容器和電感器,來處理模擬處理功能。鑄造廠提供的混合信號工藝允許在金屬互聯(lián)堆棧中形成被動元件,可以提供一個有效的模具尺寸與銷數(shù)的注意。

還值得一提的是,先進的包裝技術還將把模擬前端和傳感器嵌入到一個包中,從而釋放多氯聯(lián)苯房地產和國際電針。

注意4:降低BOM成本

在一個理想的世界里,系統(tǒng)的大部分功能將被吸收到一個ASIC中。但在一些情況下,這在經濟上是不可行的。

什么功能被集成到一個ASIC和過程節(jié)點中,ASIC將需要實現(xiàn)這些功能,這將受到大量需求的影響。它們包括電壓級別、IP可用性、對非易失性內存的支持、所需邏輯門的數(shù)目以及成本。模擬接口和其他支持電路通常會在成熟的過程節(jié)點上顯示出更好的經濟性,這些節(jié)點具有晶體管和其他集成元件,不會像邏輯或內存晶體管那樣擴展。

你可能無法擁有你想要的一切,但是一個好的ASIC設計師將能夠平衡權衡,并查看整個系統(tǒng),找到你最好的選擇。

一個很好的例子,在工作的平衡是葡萄糖監(jiān)測補丁。這類設備需要一個模擬前端,BAR支持無線通信,一個處理器核心和閃存。假設一個55NM的目標過程,ASIC的總開發(fā)成本可能達到數(shù)百萬美元。這將不僅僅是設計和創(chuàng)建用于生產在FAB的面具,而是許可BL和處理器IP。

采用相同設計的一種更具成本效益的方法是使用一種模擬前端ASIC,該集成電路設計的目的是使用各種現(xiàn)成的可實現(xiàn)的處理器。如果供應鏈條件需要,支持不同外部處理器的靈活性將允許制造業(yè)改變。

這樣做將要求在ASIC中重復某些功能,可能需要額外的通用I/O和I2C或SPI接口以及電源管理接口。這可能增加了ASIC的規(guī)模和成本。但可以實現(xiàn)更大的節(jié)約。ASIC將能夠使用一個成熟的過程,降低掩膜成本,如130NM。而ASIC將減少知識產權的許可,這將降低開發(fā)成本。但這個架構仍能提供供應鏈保護。

理解優(yōu)化設計的權衡

采用ASIC方法可以防止供應鏈問題,并允許我們優(yōu)化我們的設計。但是總是有權衡的,在走這條路線之前,應該理解這些。