智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備是如何收集能量的

（文章來(lái)源：愛(ài)板網(wǎng)）

智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)取決于產(chǎn)品類型，但基本上由一個(gè)微控制器、MEMS?傳感器、無(wú)線連接電路、電池和支持性電子組件組成。

總體醫(yī)療電子市場(chǎng)在 2015 年的估值約為 30 億美元，并預(yù)期將以 5.4% 的年復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)成長(zhǎng)，到 2022 年達(dá)到 44.1 億美元的市場(chǎng)規(guī)模。[信息來(lái)源：Marketsandmarkets.com]。那么，認(rèn)為以下因素是推動(dòng)這種發(fā)展的一些主要?jiǎng)恿筒蛔銥槠媪?，即：不斷上升的人口老齡化和日趨增多的生活方式疾病；對(duì)于個(gè)性化、易用型和先進(jìn)保健裝置日益攀升的需求；以及可穿戴式醫(yī)療電子產(chǎn)品使用率的不斷提高。

與此同時(shí)，由于長(zhǎng)時(shí)間地讓患者在醫(yī)院的病床上治療和康復(fù)所產(chǎn)生的費(fèi)用在經(jīng)濟(jì)上逐漸變得難以為繼，對(duì)于醫(yī)療機(jī)構(gòu)自身和患者而言都是如此。因此，醫(yī)院正在尋找減少這些費(fèi)用負(fù)擔(dān)的方法，在不會(huì)影響患者完全康復(fù)的情況下，讓患者盡快獲得良好和自主性。實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的一種方法是用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷設(shè)備解放患者，這樣他們就可以回到自己的家中休養(yǎng)了。

這些遠(yuǎn)程病患監(jiān)測(cè)功能通常包括心率、血壓、呼吸率、睡眠呼吸暫停、血糖水平和體溫。因此，這對(duì)“刺激便攜式和無(wú)線醫(yī)療儀表增長(zhǎng)的現(xiàn)實(shí)走向之一是門診治療”的假設(shè)提供了支持。結(jié)果，許多此類便攜式電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須內(nèi)置 RF 發(fā)送器，這樣從患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集的任何數(shù)據(jù)都能容易地直接發(fā)送回醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)，主治醫(yī)師稍后即可在此進(jìn)行檢查和分析。

低功率精準(zhǔn)型組件促成了便攜式和無(wú)線醫(yī)療儀器的快速成長(zhǎng)。然而，與許多其他應(yīng)用不同的是，此類醫(yī)療產(chǎn)品對(duì)于可靠性、工作時(shí)間和堅(jiān)固性通常有著高得多的標(biāo)準(zhǔn)。該負(fù)擔(dān)的大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件身上。醫(yī)療產(chǎn)品必須正確地工作，并且在交流電源插座、備份電池、甚至收集的環(huán)境能量源等多種電源之間無(wú)縫地切換。此外，必須竭盡全力地提供針對(duì)各種不同故障情況的保護(hù)及耐受能力，盡量地延長(zhǎng)依靠電池供電時(shí)的工作時(shí)間，并確保每當(dāng)接入了某種有效電源時(shí)正常的系統(tǒng)操作是可靠的。

鑒于上述情形，這是合理認(rèn)為“給患者提供合適家用醫(yī)療儀表的花銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及出于相同目的而讓患者住院治療所支付之費(fèi)用”。不過(guò)，至關(guān)重要的是：患者使用的設(shè)備不僅必需可靠，而且還要為患者提供防護(hù)！因此，這類產(chǎn)品的制造商和設(shè)計(jì)師必須確保它們能夠依靠多種電源 (包括備份能源) 無(wú)縫地運(yùn)行，從患者身上收集的數(shù)據(jù)具有高可靠性，并實(shí)現(xiàn) 99.999% 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸完整性。這要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師確保即將采用的電源管理架構(gòu)不僅具備堅(jiān)固性和靈活性，而且還必需緊湊和高效。這樣，醫(yī)院和患者的需求相互得到了滿足。

幸運(yùn)的是，凌力爾特等多家模擬公司致力于通過(guò)推出創(chuàng)新型產(chǎn)品來(lái)提供針對(duì)上述問(wèn)題的解決方案。由于醫(yī)療電子系統(tǒng)中有很多應(yīng)用即使在交流電源中斷的情況下也需要連續(xù)運(yùn)行功率，因此一項(xiàng)關(guān)鍵的要求是實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流以延長(zhǎng)電池壽命。相應(yīng)地，備用靜態(tài)電流小于 9?A 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器常常是用戶所需要的。事實(shí)上，有些依靠電池與能量收集之組合作為其主電源供電運(yùn)行的新型系統(tǒng)，要求其靜態(tài)電流為個(gè)位數(shù)的微安級(jí)，或者在某些場(chǎng)合中甚至是納安級(jí)。這是在此類“居家使用型”患者醫(yī)療電子系統(tǒng)中得到采納所必需滿足的先決條件。

盡管開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲高于線性穩(wěn)壓器，但是它們的效率水平要比后者好得多。只要開(kāi)關(guān)電源以可預(yù)知的方式運(yùn)行，噪聲和 EMI 水平在許多敏感應(yīng)用中被證明是易控制的。如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式中以恒定頻率執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作，而且開(kāi)關(guān)邊沿是干凈和可預(yù)知的 (沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴)，則 EMI 得到了最大限度的抑制。小的封裝尺寸和高工作頻率能夠提供小巧緊湊的布局，這極大地降低了 EMI 輻射。此外，假如穩(wěn)壓器可使用低 ESR 陶瓷電容器，則能盡量地減小輸入和輸出電壓紋波，這些紋波是系統(tǒng)中的額外噪聲源。

當(dāng)今多功能患者監(jiān)測(cè)醫(yī)療裝置中的電源軌數(shù)目有所增加，而工作電壓則持續(xù)地下降。雖然如此，許多此類系統(tǒng)仍然要求 3V、3.3V 或 3.6V 電源軌以為低功率傳感器、存儲(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。此外，由于它們的運(yùn)作有時(shí)是生死攸關(guān)的，所以其中很多都配有一個(gè)電池備份系統(tǒng)以防裝置的主電源發(fā)生故障。

傳統(tǒng)上，它們的電壓軌一直是由降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器提供。然而，此類 IC 并未利用電池的全工作范圍，因而縮短了裝置的潛在電池運(yùn)行時(shí)間。于是，當(dāng)采用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 (其能提升電壓或降低電壓) 時(shí)，它將使電池的全工作范圍能得到利用。這增加了操作裕量并延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間，因?yàn)楦嗟碾姵貕勖强捎玫模绕洚?dāng)它接近其放電曲線的低端時(shí)。