引言

　　全球范圍內有很高比例的成人需要定期監測個人生命體征（即血糖、血壓、血氧飽和度）。自然而然地，我們看到對便攜式醫療裝置的需求越來越旺盛，這種醫療裝置可實現上述任務，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計現代化便攜式醫療裝置的關鍵因素。現在典型的便攜式醫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制并轉換為數字信號；微控制器，用于對采集信號執行數學計算，在集成LCD屏幕上顯示信息，或者將數據發送至有線/無線裝置。實現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重要。本文介紹一款單片低功耗片上系統（SoC），既適合用于使用一次性電池（紐扣電池或堿性電池）的便攜式醫療裝置，又適合用于使用可充電電池供電的醫療裝置。我們還將討論第二款設計，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計。然后討論轉向集成式方案、在不影響功率預算的情況下提高性能所帶來的好處。我們也研究節省空間、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代化便攜式醫療裝置連接至智能電話是多么簡單，以及如何擴展應用范圍和使用看起來無限的數據。

　　分立式方案的復雜性、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/開關穩壓器。AFE通常要求ADC、DAC、運放、比較器、模擬開關和電壓基準。使用如此多的分立式器件會潛在影響系統可靠性，同時也毫無疑問地增加成本和電路板空間。

　　
圖1. 便攜式醫療設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計并提高性能。

　　安全的醫療微控制器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優化用于便攜式醫療設備，具有AFE和信賴保護單元的高安全性。有線外設提高了系統靈活性，多種電源管理模式節省功耗。

　　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。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為相應附加分辨率位的數量

　　fS為相應的原始采樣頻率

　　fOS為過采樣頻率

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

　　通過可配置的單端/差分多路復用器，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。基準電壓可設置為1.0V、1.5V、2.0V和2.5V，將動態范圍最大化。四個具有比較器模式的不限特定用途運放和四個SPST開關可用于附加信號調理。

　　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（可使用內部或外部PN結）以及用于驅動LED的可編程流入電流源進一步完善模擬設計。

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

　　圖4. 插值濾波器提高DAC的動態性能

　　可以將DAC碼型的開始與ADC采樣同步，有利于使用數字波形合成和同步電路（用于相干波形發生和ADC數據捕獲）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療裝置的數據完整性至關重要。閃存和SRAM可利用內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。我們想強調的是MAX32600支持AES加密和ECDSA安全認證1。觸發集成式動態篡改檢測器時，系統的公鑰和私鑰將被銷毀。系統的FIPS認證偽隨機數發生器可經受和防止安全攻擊。使用獨立的內部異步環形振蕩器防止定時攻擊。

　　低功耗至關重要

　　多種集成方法節省功耗。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療裝置，這是一項非常大的好處。嵌入式內核在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，具有多種節省功耗的電源管理模式。關斷處于非工作狀態外設的選項甚至可節省更多功耗。

　　6通道DMA控制器支持外設在微控制器處于休眠模式時工作。在這種方式下，ADC可設置為掃描輸入通道、捕獲數據，只在需要處理時喚醒內核。

　　有線外設增加接口靈活性

　　嵌入式外設提供實現便攜式醫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成本。集成電壓調節器支持在連接至USB主機時在主電源和VBUS之間智能切換。該功能對于VDD電源為電池的系統尤其有利。

　　多達三個SPI主機UART支持與多個外設從機進行同步通信，數據傳輸可達到高達24MHz。DMA具有發送和接收緩沖器。兩個I2C總線主機/從機接口支持與各種各樣支持I2C接口的外設進行通信。支持主機和從機協議。兩個同步/異步接收器/發送器（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用中的血糖傳感器和胰島素泵。免費提供帶有醫療說明的源代碼：http://content.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/8425/t/do#Software%2FModels。

　　ISM四頻段收發器（315、433、868和915MHz）支持FFSK、FMSK、AFSK調制，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療裝置的安全性且節省空間

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

圖6. BGM優化電源方案，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

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

　　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配合，保存電池電量。

　　電量計準確指示充電狀態

　　集成式電量計基于ModelGauge技術，僅利用電壓信息提供電池的充電狀態（SOC）；使用非常詳盡、非線性電池模型，可高精度監測充電和電池行為。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部易失存儲器。

　　圖8所示為ModelGauge技術的性能。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，由右側的誤差軸Y讀數。

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

　　
圖8. 充電狀態（SOC）與時間的關系。數據表明，ModelGauge技術不隨時間累積誤差。

　　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。通過允許系統完全關斷，甚至關斷一些振蕩器，利用報警降低系統功耗，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。

　　根據工作模式調節電流：

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

　　· 快充模式。在CC/CV模式下，根據設置的快充電流調節電流，范圍為50mA至500mA，步長為25mA。

　　· 自動停止模式。如果設置了自動模式，將在達到設定的恒壓（3.5V至4.4V）以及電流下降至設定值（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在可接受范圍之內時，系統電壓來自于USB；無VB時，系統電壓來自于電池。該操作是自動完成的。

　　升壓調節器允許直接連接WLED燈串和OLED顯示屏

　　基于電感的升壓轉換器可產生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范圍內調節，步長為1V。真關斷開關將負載徹底斷開，將耗流降至最小。

　　獨立調節LED燈串電流的流入電流源

　　三個獨立的線性電流調節器可直接連接至升壓轉換器產生的電壓。此時，電流可調節至高達32.5mA，分為25級。PWM信號可用于調光（圖10）。

　　
圖10. 來自于流入電流源的電流可分25級進行調節。

　　內置ESD反向電壓和過壓保護確保系統安全

　　系統（圖11）具有反向電壓保護（RVP），可預防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接口而損壞設備。系統電壓調節至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，則自動斷開系統電壓，以保護設備。

　　圖11. 內置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未出現或者電纜僅連接至設備側時，系統將檢測電纜插入。

　　當未出現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，實現電纜檢測。可通過I2C設置檢測門限，以適應不同的PCB布局和連接器類型。

　　總結

　　我們開篇首先陳述了數以百萬計的人需要監測其個人生命體征。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療裝置的出現就毫不奇怪了：這種醫療裝置小巧、高精度、電源效率高。

　　我們在本文中重點關注了用于現代化便攜式醫療裝置的高效電源管理系統。我們討論了兩款器件。我們首先介紹了低功耗、醫療微控制器片上系統 （SoC，MAX32600），該器件集成了執行模擬功能的AFE和用于高級數據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療裝置。我們也介紹了利用可充電電池供電的醫療裝置。該系統使用帶有微控制器SoC的PMIC（MAX14663），將電源效率最大化，節省寶貴的設計空間，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，而無需大的架構變化。例如，您可增加可選的無線外設，用于連接至智能手機。一旦實現以上功能，即可充分利用智能手機的日常優勢，實現更多的便攜式醫療應用。

　　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電源方案的優勢。除了空間和成本節省方面的明顯優勢外，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。