可穿戴醫(yī)療設備需要先進的電源管理

得益于超便攜式可穿戴監(jiān)測設備在市場的普及，數(shù)字健康正在經(jīng)歷一場革命。這些設備能夠幫助長期和慢性疾病患者在日常生活中進行健康監(jiān)測，從而比以往任何時候都可以更加方便地提供高水平護理。然而，為這些設備提供長時間供電，但又不能使用大體積電池，這給設計師帶來了極大挑戰(zhàn)。

與大多數(shù)“技術”設備一樣，每一代可穿戴設備都比上一代產(chǎn)品具有更多的功能和特性。由于更多的功能需要更多的功率，這通常會加劇對電源的挑戰(zhàn)。在可穿戴設備中，不可能增大電池的尺寸，因為這會增加設備的整體尺寸和重量，對所有用戶都不方便，而且可能使佩戴設備的老年患者或嬰兒承受更大的負擔。同樣不能接受的是縮短兩次電池充電的間隔時間，因而余下的唯一選擇是找到更智能的方法來管理設備使用的電源。

可穿戴醫(yī)療設備盡管體積很小，但卻是功能完整的一個系統(tǒng)，包含了所有基本元素。典型的可穿戴醫(yī)療設備包括：

·微控制器單元（MCU），用于運行代碼/固件，并管理和處理數(shù)據(jù)。

·能夠提供電力并使設備正常工作的可充電電池

·用于收集待監(jiān)測物理參數(shù)數(shù)據(jù)的傳感器，這可能是心率監(jiān)測器（pulse meter）或葡萄糖監(jiān)測儀，也可能是加速度計或陀螺儀等通用傳感器

·無線通信接口，這通常是一種常見的低功耗協(xié)議，如藍牙?低功耗（BLE）或近場通信（NFC）

·安全保證，通常是結合硬件和軟件技術，將所有數(shù)據(jù)傳輸加密，并防止惡意干擾固件

所有的醫(yī)療監(jiān)測設備都有特定的用途，即便是一個監(jiān)測生命體征參數(shù)的通用健身帶也是如此。監(jiān)測設備的用途決定了要選擇何種MCU和傳感器，尤其是測量精度、可靠性和重復性等參數(shù)。單次電池充電后可以保持的監(jiān)測時間長度也會影響組件選擇，在某些情況下，需要采用超低功耗器件。MCU是系統(tǒng)的核心，集成了包括傳感器和其他組件在內(nèi)的所有外圍元件。在許多情況下，系統(tǒng)在體系架構上通常將外圍設備分組或分域設計，有些域或組在不需要時可以斷電。例如，系統(tǒng)僅在傳輸數(shù)據(jù)時才需要射頻部分，或者某個特定傳感器可能每分鐘只讀取一次數(shù)據(jù)，可以在中間未工作期間斷電。

近年來電池技術得到了一定發(fā)展，原有的電池化學物質(zhì)得到了改進，新的化學物質(zhì)也在不斷開發(fā)。在可穿戴設備中最常見的電池類型是鋰離子電池，一個單元可產(chǎn)生3.2V到4V的電壓。雖然鋰離子聚合物（Lipo）電池已經(jīng)用于某些可穿戴產(chǎn)品，但由于鋰離子電池具有較高的存儲容量和環(huán)境相對友好的特點，因而仍是首選電池。

然而，無論電池技術如何發(fā)展，其物理定律仍然適用。鋰離子電池的存儲容量與其物理尺寸之間存在著很強的關聯(lián)，在大多數(shù)空間受限的設計（如可穿戴式）中，由于電池尺寸限制，為設備提供長時間供電的能量相對較少。為了改善這種狀況，人們正在繼續(xù)研究新的材料和技術。多項研究表明，石墨烯有可能大幅度提高單位體積電池的容量。另一種技術是超級電容器，這種途徑近來受益于納米技術的發(fā)展。

為了設計一個現(xiàn)代可穿戴設備，設計師們正在選擇盡可能低功耗的MCU。目前，被認為最先進的MCU在工作時消耗的電流明顯小于1mA，而在睡眠模式下只消耗幾個nA的電流。除了自身的攻耗外，由于MCU還需要控制外圍設備的能源供應，因此它在系統(tǒng)整體功耗中起著至關重要的作用，目標是確保不浪費任何寶貴的電池容量。

Maxim Integrated（美信）的MAX32660 MCU在性能和效率之間達到完美平衡，使其成為可穿戴設備設計的理想選擇。該MCU基于32位ARM?Cortex?M4內(nèi)核，包括一個浮點單元（FPU）處理器，以及用于傳感器和其他設備的外圍管理功能。MAX32660可以控制外部存儲設備，允許開發(fā)和運行高級處理算法。在功耗方面，該器件在業(yè)界處于領先地位，每MHz時鐘速度只需要50μW的功率。在物理尺寸方面，該器件采用為1.6mm x 1.6mm WLP封裝，使其能夠輕松地集成在空間受限的可穿戴設備。

圖1：MAX32660功能框圖。（來源：Maxim Integrated）

另一家為醫(yī)療可穿戴設備提供多種超低功耗32位MCU的供應商是Microchip，該公司的SAM系列包括基于ARM?Cortex?-M0+技術的小型SAM D MCU，基于PIC32MX XLP的高性能MCU，以及SAM L系列超低功耗器件。在休眠模式下，這些高能效器件僅需200nA電流，而在活動模式下，所需的電流小于35μA/MHz。這些器件雖然體積小，能耗低，但卻功能豐富，包括有LCD端口、運算放大器、實時時鐘和mTouch感測，以及USB和直接內(nèi)存訪問（DMA）接口等。

Silicon Labs的 EFM32 Giant Gecko ARM Cortex-M3是另一款面向醫(yī)用可穿戴設備的32位MCU。這些器件包括有自主的低能耗外圍設備，例如用于增強安全性的AES加密、一個用于通信的UART、一個低功率傳感器接口和集成運算放大器。

圖2：EFM32 功能框圖（來源：Silicon Labs）

在醫(yī)療應用中，由于患者可能會忘記給電池定期充電，這意味著可能無法對患者進行監(jiān)測，因而電池技術是一個很大挑戰(zhàn)。在某些情況下，可能會讓護理者承擔充電的責任，但這為醫(yī)療系統(tǒng)增加了進一步負擔。出于這些原因，醫(yī)療行業(yè)對于采用基于電池的醫(yī)療監(jiān)控設備進展緩慢，這使得制造商們開始為可穿戴設備供電尋找其他替代方案。

能量收集技術不依賴于儲存在電池中的能量，而是通過利用來自太陽的光或熱量，或者佩戴可穿戴設備患者活動時的運動來產(chǎn)生電力。只要有足夠的光/熱/運動，通過這種方式就能夠提供無限的能量來源，可以讓可穿戴設備無限制地運行，而沒有中斷的風險。

平均每人每天以熱量或者運動的方式消耗107J的能量，這意味著只要熱量/運動可以轉(zhuǎn)化為電能，就有足夠的能量為小型可穿戴設備提供電能

將熱量轉(zhuǎn)化為電能的原理是塞貝克效應（Seebeck effect），如果兩點之間具有溫差即可產(chǎn)生電壓。在可穿戴設備的情況下，這可以是患者（熱端）和周圍環(huán)境（冷端）的差異。用于這種轉(zhuǎn)換的技術是一種基于半導體的珀耳帖電池（Peltier cell），它能夠每周7天，每天24小時提供不間斷的能量，而不像太陽能光伏那樣，在室內(nèi)不能很好地運行，在夜間則完全不能工作。

當病人運動時，他們也可產(chǎn)生能量，這種機械運動可以通過使用壓電元件轉(zhuǎn)換成電能，壓電元件對于每一個動作（如行走或運動）都會產(chǎn)生一個小電流。Wurth Electronics的能量收集解決方案即用開發(fā)工具包為開發(fā)人員提供了一種在能量收集領域設計起步的簡單方法。

可穿戴設備通常含有一個板載DC/DC轉(zhuǎn)換器，即使電源存在某種波動，也能夠確保向系統(tǒng)所有設備提供的電壓恒定。先進的DC/DC轉(zhuǎn)換器通常由MCU控制，能夠管理設備中的所有能量，從而盡可能高效地使用這些能量，同時也包括DC/DC轉(zhuǎn)換器本身不消耗太多的電能。

Linear Technology的LTC3107是一款高集成度DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案，該器件特別針對能量收集機制而設計，本身非常節(jié)省能源。通過結合使用來自熱源的能量收集和電池能量，可顯著延長可穿戴設備的電池壽命，從而降低與更換電池相關的成本和不便。

圖3：LTC3107 典型應用電路。（來源：Linear Technology）

可穿戴醫(yī)療設備未來將繼續(xù)提供更多功能，同時體積變得更小，需要創(chuàng)新的電源管理解決方案。雖然更高效地使用電池能量是一種顯而易見的方法，但是，借助于先進DC/DC轉(zhuǎn)換器的良好管理，能量收集技術也可以提供許多好處，其中包括更高的便利性。