過去5年中，小型電池技術基本變化不大。而電源設計的技巧和IC 技術的進步，卻直接使得這些傳感器工作壽命延長。這些借助手機標準得到實現(xiàn)的進步包括：USB充電、高效DC/DC調節(jié)器、I/O 標準 (I2C、SPI、SDIO等)的采用，以及顯示技術的改進等等。
在醫(yī)療保健行業(yè)，最重要的問題之一是產品何時能夠面向病患供貨。項目設計周期一般都非常漫長，常常跨越數(shù)年之久。雖然并非所有的時間都用在電氣設計階段，但很多時候電氣設計團隊往往是公司內部團隊中規(guī)模較小的，而化學、法律和測試團隊都要大得多。電子產品的一大關鍵趨勢是縮短上市時間，同時降低風險。所有便攜式產品都需要某種形式的電源，一般是以原電池或可充電電池供電。電池的功率必須經(jīng)過調節(jié)以滿足下游復雜傳感器所需，這種設計可以延長電池的壽命，并使功能集獨立使用。
過去，這種功率調節(jié)模塊消耗資源和實際工作功率，占用板上面積。而如今，對于DC/DC應用，一個簡單的開關PWM周圍放置多個MOSFET的時代已經(jīng)一去不復返，不再需要眾多無源器件來增加最低程度的保護了。我們現(xiàn)在談論的是過去5年來不斷得到采用的集成式DC/DC 降壓 IC。目前，電子行業(yè)正在快速發(fā)展，包括積極開發(fā)單芯片電源模塊。這些器件與功率更高的電信行業(yè)中的DC/DC模塊不同，是可經(jīng)由大量銷售渠道供貨、帶專門部件編號的真正模塑封裝IC。
便攜式醫(yī)療電子技術的發(fā)展使醫(yī)療保健成本得以降低。電池供電的非植入性(Non-invasive)傳感器具有移動性，加上板上存儲器，就能夠捕獲針對某種病癥的完整數(shù)據(jù)模式。由于IC技術的不斷進步，這些器件的尺寸越來越小、持續(xù)工作時間越來越長，因此更容易在該領域中獲得采用。
病人離開醫(yī)院之后，生活往往恢復正常。平日里他們應該遵照醫(yī)生囑咐呵護好自己的身體，比如放松心情，提高心率，加強營養(yǎng)等等?？墒菬o論什么情況，人們總有遇上極限的時候。一個簡單的病患監(jiān)控設備可以是一個讓病患和醫(yī)療服務提供者雙贏的解決方案，其不但能減少病患到醫(yī)院看病的次數(shù)，還能大大提高每次就醫(yī)看病的價值。
僅僅在數(shù)年前，傳感器的尺寸還太大，不適用于晝夜連續(xù)監(jiān)控；但隨著電子技術的進步，其尺寸縮小，單組電池工作時間不斷延長。血糖監(jiān)測儀和注射器屬于最初的成功應用案例，最新的進展是閉環(huán)測試以及胰島素管理設備。這些設備現(xiàn)已成為I類糖尿病病患每天全日使用的設備，但這種概念應該不限于糖尿病患。
DC/DC模塊集成化，提高效率并降低風險
飛兆半導體的FAN4603 uModule就是這樣的一款IC。其原理見圖1所示。
圖1 飛兆半導體的FAN4603 uModule
集成有FET的基本控制器與輸入/輸出電容以及DC/DC降壓拓撲所需的開關電感共同封裝在單個模塊中。其前期優(yōu)勢十分明顯，比如：尺寸減小，庫存部件只有一個，設計周期相應縮短。此外，還有一些技術上的優(yōu)點。
由于單一模塊中所有有源部件是如此的接近，大電流和高頻路徑得以縮短，從而可降低EMI，而對于需要復雜傳感器和人體接口的醫(yī)療設備行業(yè)來說，低EMI是一個至關重要的規(guī)范。將這款模塊的降壓拓撲開關頻率提高至6MHz，就能夠集成層疊式電感。由于開關頻率的提高，電感尺寸得以減小。因為這些電感和電容等無源組件是由實際PWM和FET設計人員所選擇，各項指標均經(jīng)過細調，在建議的負載范圍內具有理想的互操作性。
這種調節(jié)的缺點是模塊的輸出電壓固定，然而可變輸出電壓又會導致無源元件的匹配不平衡。因而，可以提供具有一定輸出電壓的不同模塊來解決問題。首先推出的模塊的輸出電壓為1.8V，Vin為2.3～5.5V。這一電壓范圍是單一可充電電池、AA和AAA雙電池盒，以及單一3V鋰離子電池的理想選擇。
由便攜式醫(yī)療設備設計需求所推動的電子行業(yè)的另一項重要進步是，功率模塊在不同負載上的效率得以提升。醫(yī)療應用設備常常處于休眠狀態(tài)，當傳感器未加偏壓和不采集實際數(shù)據(jù)時，僅消耗極少的功率。在這段時間內，系統(tǒng)Icc可降至10mA以下。在這些輕負載和中等負載狀態(tài)下，可使用PFM技術以最大限度地減小模塊內部的損耗。圖2所示為FAN4603的典型效率曲線
圖2 FAN4603的典型效率曲線
請注意其額定效率范圍為70%～85%，具體取決于輸入電壓，在對數(shù)X軸上僅為1mA。當應用范圍為10mA～200mA之間時，如數(shù)據(jù)采集或與基站進行RF通信期間，這一曲線對于電池壽命是至關重要的。
下游智能FET技術簡化功率分配
為了更好地將功率模塊的能量分配到下游傳感器、處理器和LCD，使用負載點功率開關正在業(yè)界變得流行。使用簡單的P溝道FET來傳輸功率本身并不新奇。FET周圍環(huán)繞著眾多二極管和晶體管以增加功能，比如負載放電、浪涌電流限制和反向電流阻隔(reverse current blocking, RCB)，這是其中的一部分功能。顯而易見，發(fā)展趨勢是轉向真正的智能FET，其可在單個IC中集成這些功能。飛兆半導體提供的IntellimaxTM系列產品是可供設計人員可以選擇的智能FET系列之一，其突出特性是集成了所有下述功能，過壓保護(OVP)、過流保護(OCP)、RCB、壓擺率控制(slew rate control)，以及用于通知處理器出現(xiàn)故障的錯誤標記。圖3 所示為一個典型的IntelliMAX 器件的內部示意圖及所采用的封裝。
圖3典型的IntelliMAX 器件的內部示意圖及封裝
醫(yī)療應用的一大優(yōu)勢是可以在不使用時限制外部傳感器以及連接器的功率。當傳感器或連接器的功率超出推薦級別時，智能FET能夠隔離電源，并向處理器發(fā)出一個錯誤標記。這就增加了終端應用的可靠性，減少其現(xiàn)場故障頻率，最終降低總體系統(tǒng)成本。
信號路徑技術的發(fā)展實現(xiàn)進一步節(jié)能和互操作性
除了先前討論過的DC/DC效率大幅提升之外，通用小信號技術亦有進步，為醫(yī)療設備應用帶來更多價值。模擬開關是非常普通的IC產品，以往用途有限，主要用于多路復用或隔離低速數(shù)據(jù)線?，F(xiàn)在開關中集成的新功能可以實現(xiàn)更好的導通阻抗和平坦度、斷電保護、更高的數(shù)據(jù)率，以及低得多的功耗。了解這些功能及其不同優(yōu)勢，是充分發(fā)揮醫(yī)療設備功用的關鍵所在。
過去，導通阻抗只是一個靜態(tài)數(shù)值，而更新的Ron平坦度參數(shù)則可以確保Ron數(shù)值在給定條件下處于一定的范圍內。其可以用于需要400mΩ 以下Ron水平的醫(yī)療設備中的校準和傳感器多路復用等，較以前的8Ω水平有大幅提升。傳感器的補充功能有最近推出的斷電保護功能，當Vcc=0V時會顯示輸入信號，這種功能對連接器和傳感器的熱插撥應用十分有益?，F(xiàn)在實際工作電流非常低，即使控制電壓低于Vcc，測得的數(shù)據(jù)也以μA (微安)計。輸入至輸出泄漏則小至以nA (納安)計，從而能夠進一步延長電池壽命。在當前醫(yī)療設備升級至更新的功能集時，通常使用這些模擬開關和固有的增添功能來增加互連即可，無須替換DSP和進行大量的重新校準工作。
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