引言

　　全球范圍內(nèi)有很高比例的成人需要定期監(jiān)測個人生命體征（即血糖、血壓、血氧飽和度）。自然而然地，我們看到對便攜式醫(yī)療裝置的需求越來越旺盛，這種醫(yī)療裝置可實現(xiàn)上述任務(wù)，甚至集成更多功能。而且這種趨勢不會停止。

　　體積、重量、可靠性、安全性以及功耗是設(shè)計現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在典型的便攜式醫(yī)療裝置一般需要多種宏模塊：處理電源的電源管理電路，無論是一次性還是可充電電池；模擬前端（AFE），用于將傳感器的信號調(diào)制并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；微控制器，用于對采集信號執(zhí)行數(shù)學(xué)計算，在集成LCD屏幕上顯示信息，或者將數(shù)據(jù)發(fā)送至有線/無線裝置。實現(xiàn)所有這些功能一般需要使用不同的分離式器件。

　　高效的電源管理對這些便攜式裝置至關(guān)重要。本文介紹一款單片低功耗片上系統(tǒng)（SoC），既適合用于使用一次性電池（紐扣電池或堿性電池）的便攜式醫(yī)療裝置，又適合用于使用可充電電池供電的醫(yī)療裝置。我們還將討論第二款設(shè)計，其中可增加電源管理IC （PMIC），以支持附加裝置功能。

　　在介紹這兩種方案之前，我們需要首先了解典型的分立式設(shè)計。然后討論轉(zhuǎn)向集成式方案、在不影響功率預(yù)算的情況下提高性能所帶來的好處。我們也研究節(jié)省空間、最大化功率利用、利用 USB連接提高安全性的新型集成電路。我們也將了解一下將現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置連接至智能電話是多么簡單，以及如何擴展應(yīng)用范圍和使用看起來無限的數(shù)據(jù)。

　　分立式方案的復(fù)雜性、成本和空間

　　我們的討論首先從簡單回顧分立式電源方案的典型功能方框圖開始（圖1）。電池管理電路包括電池隔離器、電池充電器、電量計、背光照明電源以及線性/開關(guān)穩(wěn)壓器。AFE通常要求ADC、DAC、運放、比較器、模擬開關(guān)和電壓基準。使用如此多的分立式器件會潛在影響系統(tǒng)可靠性，同時也毫無疑問地增加成本和電路板空間。

　　
圖1. 便攜式醫(yī)療設(shè)備中使用眾多分立式元件的基本電源方案方框圖。

　　集成式方案具有較高性能

　　現(xiàn)在，有一種新型雙芯片集成式方案，包括微控制器SoC和PMIC，提高總體性能（圖2）。我們接下來將介紹SOC和PMIC。

　　圖2. 使用MAX32600微控制器SoC和PMIC的集成式方案簡化設(shè)計并提高性能。

　　安全的醫(yī)療微控制器SoC

　　MAX32600微控制器SoC （圖3）基于Cortex M3核心，具有高性能模擬前端（AFE），集成先進的安全信賴保護，不同于競爭對手的電源方案。有線和無線通信接口為用戶將醫(yī)療裝置連接至其它便攜式主機，例如PDA或智能手機，提供了多種選擇。

　　
圖3. 高度集成的微控制器SoC優(yōu)化用于便攜式醫(yī)療設(shè)備，具有AFE和信賴保護單元的高安全性。有線外設(shè)提高了系統(tǒng)靈活性，多種電源管理模式節(jié)省功耗。

　　AFE管理模擬功能

　　AFE核包括一個SAR ADC，ADC具有500ksps高采樣率和16位分辨率，在輸入信號帶寬受限的情況下，能夠通過過采樣和平均方法提高分辨率。實際上，過采樣和平均法提高了SNR，從而獲得附加分辨率位數(shù)。對于每個附加分辨率位，必須以因子4對信號進行過采樣。

　　fOS= 4w × fS （式1）

　　式中：

　　w為相應(yīng)附加分辨率位的數(shù)量

　　fS為相應(yīng)的原始采樣頻率

　　fOS為過采樣頻率

　　ADC可配置為以一定間隔收集陣發(fā)數(shù)據(jù)；通過存儲器直接訪問（DMA）將數(shù)據(jù)保存至SRAM；然后喚醒處理器。ADC的接口提供可編程陣發(fā)采樣率（TS獨立于TS_avg）以及可編程平均陣發(fā)長度（2、4、8、16、32、64、128）。

　　通過可配置的單端/差分多路復(fù)用器，可以選擇輸入信號類型。ADC前端為差分放大器，具有可編程增益：1、2和4?；鶞孰妷嚎稍O(shè)置為1.0V、1.5V、2.0V和2.5V，將動態(tài)范圍最大化。四個具有比較器模式的不限特定用途運放和四個SPST開關(guān)可用于附加信號調(diào)理。

　　兩個12位DAC、兩個8位DAC、一個附加電壓基準（與前一個相同，也可編程）、一個溫度傳感器（可使用內(nèi)部或外部PN結(jié)）以及用于驅(qū)動LED的可編程流入電流源進一步完善模擬設(shè)計。

　　插值濾波器（1:2、1:4和1:8）（圖4）可用于12位DAC和8位DAC，以提高動態(tài)性能、降低總線帶寬。

　　圖4. 插值濾波器提高DAC的動態(tài)性能

　　可以將DAC碼型的開始與ADC采樣同步，有利于使用數(shù)字波形合成和同步電路（用于相干波形發(fā)生和ADC數(shù)據(jù)捕獲）測量阻抗（圖5）。

　　
圖5. 用于阻抗測量的信號處理方框圖。

　　信賴保護單元提供必不可少的安全性

　　嵌入式安全對于保護醫(yī)療裝置的數(shù)據(jù)完整性至關(guān)重要。閃存和SRAM可利用內(nèi)部電池備份存儲器中的密鑰進行加密，從而保護SoC固件。通過嵌入式加密電路提供器件安全認證，適合于對稱和非對稱加密方法。

　　關(guān)于嵌入式安全、加密、私鑰和公鑰的著作有很多，此處不再贅述。我們想強調(diào)的是MAX32600支持AES加密和ECDSA安全認證1。觸發(fā)集成式動態(tài)篡改檢測器時，系統(tǒng)的公鑰和私鑰將被銷毀。系統(tǒng)的FIPS認證偽隨機數(shù)發(fā)生器可經(jīng)受和防止安全攻擊。使用獨立的內(nèi)部異步環(huán)形振蕩器防止定時攻擊。

　　低功耗至關(guān)重要

　　多種集成方法節(jié)省功耗。SoC采用低至2.2V的電壓工作，對于使用一次性電池供電的便攜式醫(yī)療裝置，這是一項非常大的好處。嵌入式內(nèi)核在24MHz時的工作電流為175μA/MHz，具有使能實時時鐘（RTC）的1.8μA低功耗模式，具有多種節(jié)省功耗的電源管理模式。關(guān)斷處于非工作狀態(tài)外設(shè)的選項甚至可節(jié)省更多功耗。

　　6通道DMA控制器支持外設(shè)在微控制器處于休眠模式時工作。在這種方式下，ADC可設(shè)置為掃描輸入通道、捕獲數(shù)據(jù)，只在需要處理時喚醒內(nèi)核。

　　有線外設(shè)增加接口靈活性

　　嵌入式外設(shè)提供實現(xiàn)便攜式醫(yī)療裝置所需的全部功能。帶有物理接口（PHY）的USB2.0全速控制器允許直接連接USB電纜，降低電路板空間和總體系統(tǒng)成本。集成電壓調(diào)節(jié)器支持在連接至USB主機時在主電源和VBUS之間智能切換。該功能對于VDD電源為電池的系統(tǒng)尤其有利。

　　多達三個SPI主機UART支持與多個外設(shè)從機進行同步通信，數(shù)據(jù)傳輸可達到高達24MHz。DMA具有發(fā)送和接收緩沖器。兩個I2C總線主機/從機接口支持與各種各樣支持I2C接口的外設(shè)進行通信。支持主機和從機協(xié)議。兩個同步/異步接收器/發(fā)送器（USART）端口支持全雙工異步或半雙工同步通信。

　　可選無線外設(shè)增加無外部線纜連通性

　　Bluetoothv4.0低功耗從機覆蓋2.400GHz至2.4832 GHz RF頻率范圍，可用于連接人工胰腺應(yīng)用中的血糖傳感器和胰島素泵。免費提供帶有醫(yī)療說明的源代碼：http://content.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/8425/t/do#Software%2FModels。

　　ISM四頻段收發(fā)器（315、433、868和915MHz）支持FFSK、FMSK、AFSK調(diào)制，以及多種帶有快速喚醒的休眠模式。

　　電源方案增加了可充電醫(yī)療裝置的安全性且節(jié)省空間

　　我們現(xiàn)在討論由外部可充電電源供電的便攜式醫(yī)療裝置。MAX14663PMIC （圖6） 集成鋰離子（Li+）開關(guān)充電器，是針對空間受限便攜式醫(yī)療裝置進行優(yōu)化的電源方案；與MAX32600微控制器SoC配合使用時，最大限度提高功率，節(jié)省寶貴的設(shè)計空間，以及增加附加功能。我們在上文中已經(jīng)介紹了MAX32600SoC，現(xiàn)在我們討論MAX14663的電池管理和USB連接功能。

圖6. BGM優(yōu)化電源方案，帶有電纜檢測功能。

　　整體電池功能

　　電池密封保證長時間供電

　　便攜式醫(yī)療設(shè)備必須保證可靠充電，隨時備用。所以，設(shè)計重點是在裝置的“保存期”內(nèi)保證有電。MAX14663集成關(guān)斷電池的開關(guān)，保證其斷開，直到最終用戶首次打開醫(yī)療裝置。例如，生產(chǎn)階段結(jié)束時，可利用I2C命令或正確的SEAL引腳連接將電池斷開，從而防止設(shè)備保存期內(nèi)放電。

　　只需激活連接至KIN輸入的按鈕或者連接至USB主機，即可重新連接電池（圖7）。

　　圖7. MAX14663中的電池密封功能與隔離開關(guān)配合，保存電池電量。

　　電量計準確指示充電狀態(tài)

　　集成式電量計基于ModelGauge技術(shù)，僅利用電壓信息提供電池的充電狀態(tài)（SOC）；使用非常詳盡、非線性電池模型，可高精度監(jiān)測充電和電池行為。為正確操作，必須將Maxim在工廠進行特征分析后提供的電池模型裝載至器件的內(nèi)部易失存儲器。

　　圖8所示為ModelGauge技術(shù)的性能。隨機時間長度的隨機負載過程和充電過程顯示電池SOC上升和下降。綠線為參考SOC，紅線為ModelGauge指示的SOC。您可以看到綠線和紅線很難區(qū)分，實際上這兩條線幾乎完全相同。兩條曲線之間的差異用黑線表示，由右側(cè)的誤差軸Y讀數(shù)。

　　這些數(shù)據(jù)表明，ModelGauge電量計的誤差與加熱法相似，誤差在0%附近上下移動，不同于庫倫計數(shù)器等累積方法。

　　
圖8. 充電狀態(tài)（SOC）與時間的關(guān)系。數(shù)據(jù)表明，ModelGauge技術(shù)不隨時間累積誤差。

　　電量計工作電流為23μA；充電/放電率較低時，電量計自動進入4μA深度休眠模式。這種后臺模式不會犧牲電量計精度。通過允許系統(tǒng)完全關(guān)斷，甚至關(guān)斷一些振蕩器，利用報警降低系統(tǒng)功耗，以及達到這種4μA后臺模式。電量計采用報警喚醒所有電路。

　　電池充電器最大程度降低功率損耗

　　開關(guān)模式電池充電器將功耗降至最低。充電期間，該功能可防止PCB熱點，否則在必須測量對溫度非常敏感的小信號時會影響精度。

　　根據(jù)工作模式調(diào)節(jié)電流：

　　· 預(yù)充模式。電池電壓低于預(yù)充門限電壓（可通過I2C在2.4V至3.1V范圍內(nèi)設(shè)置）時，將電流限制到小于0.1C。

　　· 快充模式。在CC/CV模式下，根據(jù)設(shè)置的快充電流調(diào)節(jié)電流，范圍為50mA至500mA，步長為25mA。

　　· 自動停止模式。如果設(shè)置了自動模式，將在達到設(shè)定的恒壓（3.5V至4.4V）以及電流下降至設(shè)定值（12.5mA至150mA）時停止充電。也可以利用I2C命令停止充電。

　　充電器也通過電池熱敏電阻監(jiān)測電池溫度。溫度信息可用于實施JEITA建議，為了安全起見而根據(jù)電池溫度更改終止電壓和快充電流（圖9）。

　　
圖9. 按照JEITA建議，根據(jù)電池溫度更改充電電流和終止電壓。

　　電源選擇器延長電池壽命

　　當VB在可接受范圍之內(nèi)時，系統(tǒng)電壓來自于USB；無VB時，系統(tǒng)電壓來自于電池。該操作是自動完成的。

　　升壓調(diào)節(jié)器允許直接連接WLED燈串和OLED顯示屏

　　基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生OLED顯示屏或用于LCD背光照明的白光LED燈串所需的高電壓。輸出電壓可通過I2C在6V至17V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，步長為1V。真關(guān)斷開關(guān)將負載徹底斷開，將耗流降至最小。

　　獨立調(diào)節(jié)LED燈串電流的流入電流源

　　三個獨立的線性電流調(diào)節(jié)器可直接連接至升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓。此時，電流可調(diào)節(jié)至高達32.5mA，分為25級。PWM信號可用于調(diào)光（圖10）。

　　
圖10. 來自于流入電流源的電流可分25級進行調(diào)節(jié)。

　　內(nèi)置ESD反向電壓和過壓保護確保系統(tǒng)安全

　　系統(tǒng)（圖11）具有反向電壓保護（RVP），可預(yù)防VBUS上高達-5.5V的電壓，以及防止高達28V的過壓（OVP）。該保護功能可防止偽劣電池充電器試圖使用USB接口而損壞設(shè)備。系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)至5V；對于最高6.6V的VBUS電壓，可正常工作。如果VBUS電壓上升至這些門限以上，則自動斷開系統(tǒng)電壓，以保護設(shè)備。

　　圖11. 內(nèi)置ESD反向電壓和過壓保護。

　　參見圖11，VB、DP和DM引腳上具有±15kVESD保護（HBM）。USB側(cè)的另一項功能是電纜檢測。上行端口為OFF時，因而表示VBUS未出現(xiàn)或者電纜僅連接至設(shè)備側(cè)時，系統(tǒng)將檢測電纜插入。

　　當未出現(xiàn)VBUS時，通過注入小電流，然后測量電纜電容和連接至上行端口的電容，實現(xiàn)電纜檢測?？赏ㄟ^I2C設(shè)置檢測門限，以適應(yīng)不同的PCB布局和連接器類型。

　　總結(jié)

　　我們開篇首先陳述了數(shù)以百萬計的人需要監(jiān)測其個人生命體征。顯而易見，人們需要有工具能夠隨時隨地進行檢查。所以人們尋求更便攜的醫(yī)療裝置的出現(xiàn)就毫不奇怪了：這種醫(yī)療裝置小巧、高精度、電源效率高。

　　我們在本文中重點關(guān)注了用于現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置的高效電源管理系統(tǒng)。我們討論了兩款器件。我們首先介紹了低功耗、醫(yī)療微控制器片上系統(tǒng) （SoC，MAX32600），該器件集成了執(zhí)行模擬功能的AFE和用于高級數(shù)據(jù)安全性的信賴保護單元。該器件適合于使用一次性電池（紐扣電池或堿性電池）作為電源的便攜式醫(yī)療裝置。我們也介紹了利用可充電電池供電的醫(yī)療裝置。該系統(tǒng)使用帶有微控制器SoC的PMIC（MAX14663），將電源效率最大化，節(jié)省寶貴的設(shè)計空間，并增加電池管理和USB安全性等附加功能。

　　這些新集成電路將電源效率最大化，提高靈活性，有利于可擴展方案，而無需大的架構(gòu)變化。例如，您可增加可選的無線外設(shè)，用于連接至智能手機。一旦實現(xiàn)以上功能，即可充分利用智能手機的日常優(yōu)勢，實現(xiàn)更多的便攜式醫(yī)療應(yīng)用。

　　最后，我們討論了高度集成相對于使用眾多分立式元件的傳統(tǒng)電源方案的優(yōu)勢。除了空間和成本節(jié)省方面的明顯優(yōu)勢外，較少的分立式元件也意味著方案更可靠，既有利于制造商也有利于最終用戶——你和我。