可穿戴醫療設備通過持續記錄和傳輸患者的健康狀況來改變醫療保健行業。它們必須暢通無阻，并且依靠小型一次性電池持續數天。該設計解決方案回顧了可穿戴醫療貼片典型電源管理解決方案的缺點，并引入了一種滿足指定工作壽命的新型高效率、低靜態升壓轉換器。

介紹

物聯網 （IoT） 將患者置于醫療保健系統的中心，實時監測生命體征，從而實現更好的健身、疾病預防和及時的醫療干預。可穿戴設備集成了傳感器，以監測心率、呼吸、溫度、步數、睡眠周期、壓力水平以及用戶是否跌倒或喪失行為能力。這些設備通過低功耗藍牙無線鏈路將生命體征傳輸到基站，然后從那里傳輸到云端，患者和醫生可以在其中訪問實時數據。該設計解決方案回顧了為放置在患者胸部的可穿戴醫療貼片供電的挑戰，以及使用單個一次性鋅空氣電池運行 5 天的能力。由典型升壓轉換器調節的電池電壓無法滿足器件工作時間要求。當由高效率、低靜態升壓轉換器供電時，同一器件滿足并超過了五天工作要求。?

典型的可穿戴醫療貼片系統

圖2顯示了一個典型的醫療貼片框圖。一次性鋅空氣電池提供高達 160mAh 的電量，通過 DC-DC 升壓穩壓器為車載控制器、傳感器和無線電供電。

圖2.典型的醫用可穿戴設備補丁框圖。

在一個例子中，各種傳感器收集數據4秒，然后由無線電以100ms突發傳輸到集中式接收器。 在檢測模式下，升壓轉換器負載50μA的電流，而在傳輸模式下，它提供48mA電流以支持無線電電流脈沖。升壓轉換器負載曲線如圖3所示。

圖3.可穿戴醫療貼片電流曲線。

在一個典型的醫療可穿戴貼片應用中，系統必須僅使用一個一次性鋅空氣電池即可持續 5 天。典型的升壓穩壓器具有 10μA 的靜態電流、85% 的峰值效率以及低電流時的效率和 81% 的效率。假設1.4V輸入和3.3V輸出電壓，我們可以計算從電池汲取的平均電流如下：

1372μA的平均電流將導致電池無法運行5天（160mAh/1.372mA = 117小時）。

挑戰

對于任何穩壓器來說，用小尺寸PCB實現高效率和低靜態電流都是一個挑戰。增加穩壓器的工作頻率將減小無源器件的尺寸，但會增加損耗，從而降低其效率。將穩壓器的輸入工作范圍降至幾分之一伏至關重要，因為電池電壓在工作期間持續下降。

隨著可穿戴應用的激增，需要多種定制版本的穩壓器，特別是在輸入/輸出電壓和電流規格方面。因此，醫療可穿戴貼片制造商可能被迫維護不同調節器以及支持它們所需的無源器件的大量且昂貴的庫存。

最先進的解決方案

例如，MAX17224毫微功耗同步升壓轉換器具有極高的效率、400mV至5.5V輸入范圍、1A峰值電感電流限值以及可通過單個標準1%電阻選擇的輸出電壓。新穎的真關斷?模式可產生納安級的漏電流，使其成為真正的毫微功耗器件。

靜態電流優勢

參考圖4，輸入靜態電流（I秦） 的 IC 為 0.5nA （啟動后使能開路）和輸出靜態電流 （I庫特） 為 300nA。

圖4.具有較低關斷和靜態電流的升壓轉換器。

為了計算總輸入靜態電流，需要額外的輸入電流來饋送輸出電流（IQOUT_IN） 必須添加到 I秦.由于輸出功率與輸入功率的關系與效率（P外= PIN x ？），因此：

我QOUT_IN= I庫特x （V外/V在)/η

如果 V在= 1.4V， V外= 3.3V，效率 ？= 88% 在低電流下，我們有：

我QOUT_IN= 300nA x （3.3/1.4）/0.88 = 803.5nA

將803.5nA與0.5nA的輸入電流相加，得到804nA的總輸入靜態電流（I清特).該靜態電流比典型升壓穩壓器的10μA低12倍，如前例所述。

效率優勢

升壓轉換器 IC 具有低 R德森，板載動力總成 MOSFET 晶體管，即使在足夠高的頻率下工作，也能產生出色的效率，以保證較小的整體 PCB 尺寸（圖 5）。

圖5.高效率升壓轉換器，具有低導通電阻、板載動力總成 MOSFET 晶體管。

升壓轉換器在峰值電流下的效率為 92.5%，靜態電流為 0.8μA，可穿戴醫療貼片可以滿足并超過所需的 5 天工作時間（見表 1）。

表 1.兩個穩壓器的電池壽命比較

啟用瞬態保護模式

該 IC 包括一個使能瞬態保護 （ETP） 模式選項。當存在上拉電阻時，由輸出電容供電的額外片內電路可確保EN在輸入端發生短暫瞬態干擾時保持高電平。在這種情況下，上面計算的靜態電流增加了幾十納安。

物料清單優勢和智能 V外選擇

MAX17224省去了用于設置輸出電壓值的傳統電阻分壓器，取而代之的是單輸出選擇電阻（RSEL），如圖 4 所示。該芯片使用專有方案來讀取RSEL僅在啟動時消耗高達 200μA 的值。單個標準 1% 電阻器設置 33 種不同輸出電壓之一，在 1.8V 和 5V 之間以 100mV 的增量相隔。結果是BOM略有減少（少了一個電阻），簡化了庫存（一個穩壓器用于多種應用），并降低了靜態電流。

結論

物聯網與低功耗無線數據傳輸協議相結合，通過可穿戴設備能夠連續和實時地監測患者的生命體征。我們回顧了使用小型一次性160mAh鋅空氣電池為可穿戴醫療貼片供電的挑戰。調節電池電壓的典型升壓轉換器無法滿足可穿戴設備的五天工作要求。另一方面，高效率、低靜態升壓轉換器可以滿足并超過五天運行的要求。

審核編輯：郭婷