背景

總體醫(yī)療電子市場在 2015 年的估值約為 30 億美元，并預(yù)期將以 5.4% 的年復(fù)合增長率持續(xù)成長，到 2022 年達(dá)到44.1 億美元的市場規(guī)模。[信息來源：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筒蛔銥槠媪耍矗翰粩嗌仙娜丝诶淆g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) “刺激便攜式和無線醫(yī)療儀表增長的現(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)測系統(tǒng)必須內(nèi)置 RF 發(fā)送器，這樣從患者監(jiān)測系統(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線醫(yī)療儀器的快速成長。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。

適用于患者監(jiān)測系統(tǒng)的潛在解決方案

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，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推出創(chuàng)新型產(chǎn)品來提供針對(duì)上述問題的解決方案。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)電流以延長電池壽命。相應(yīng)地，備用靜態(tài)電流小于 9mA的開關(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。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式中以恒定頻率執(zhí)行開關(guān)操作，而且開關(guān)邊沿是干凈和可預(yù)知的 (沒有過沖或高頻振鈴)，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)。

作為一種電源的能量收集

最近，在能量收集領(lǐng)域涌現(xiàn)了大量的創(chuàng)新成果；特別是采用人類自身的體熱作為給電子監(jiān)測系統(tǒng)供電或?qū)檫@些系統(tǒng)供電的電池進(jìn)行再充電的一種潛在能量源。這類技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療電子組件尺寸和形狀的改變，以適應(yīng)毫瓦和 / 或微瓦功率范圍。這意味著許多復(fù)雜的電子系統(tǒng)和裝置 (例如：可穿戴式醫(yī)療和自主設(shè)備) 如今的功率消耗可大約低于 250μW。

而且，功率級(jí)別處在數(shù)μW至數(shù)百 mW范圍內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用電池電源工作。不過，由于電池電源內(nèi)在局限性 (例如：電荷的貯存壽命，以及適用情況下進(jìn)行定期再充電的需要) 的原因，采用熱量或振動(dòng)等環(huán)境能量源來完成 “可再充電” 電池定期再充電的可能性已經(jīng)展現(xiàn)在世人面前。現(xiàn)在，該是介紹的時(shí)候了。

凌力爾特制造能量收集 IC 幾乎已有 10 年的時(shí)間；推出的首款產(chǎn)品是 2009 年 12 月面市的LTC3108。LTC3108 是一款超低電壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電源管理器，專為收集和分配剩余能量而特別設(shè)計(jì)，可從熱源產(chǎn)生極低的電壓。這可以是從 “熱” 到 “更熱” 或從 “冷” 到 “更冷”，因?yàn)槲ㄒ恍枰氖?1°C或更大的溫度梯度。

然而，更近期推出的產(chǎn)品是 LTC3107，它是一款高度集成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，專為通過收集和管理來自 TEG (熱電發(fā)生器)和熱電堆等極低輸入電壓電源的剩余能量來延長低功率無線系統(tǒng)中的主電池之壽命而設(shè)計(jì)。

采用LTC3107 后，一個(gè)負(fù)載點(diǎn)能量收集器只占用極小的空間，只要能夠容納 LTC3107 的3mm x 3mm DFN 封裝和幾個(gè)外部組件即可。通過產(chǎn)生一個(gè)跟蹤現(xiàn)有主電池之電壓的輸出電壓，可無縫地采用 LTC3107以把免費(fèi)熱能收集的成本節(jié)約帶到新的和現(xiàn)有的電池供電型設(shè)計(jì)中。此外，LTC3107 還能與一個(gè)小的熱能量源一起延長電池壽命 (在有些場合中可長達(dá)電池的保質(zhì)期)，從而降低與電池更換有關(guān)且重復(fù)發(fā)生的維護(hù)成本。LTC3107 專為增強(qiáng)電池或甚至完全為負(fù)載供電而設(shè)計(jì)，這取決于負(fù)載情況和可用的收集能量。圖 1 示出了LTC3107 能怎樣容易地收集熱能以為無線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 供電，并在環(huán)境能量源不可用時(shí)無縫地切換至電池電源。

圖 1：LTC3107 收集熱能以為一個(gè) WSN 供電和 / 或給一個(gè)電池充電

此外，LTC3331是一款多功能環(huán)境能量收集器，其形成了完整的能量收集調(diào)節(jié)解決方案，當(dāng)可收集能量可用時(shí)，提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流以延長電池壽命，見圖 2。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該器件不需要電池提供電源電流，而在無負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，僅需要950nA 的工作電流。LTC3331集成了一個(gè)高電壓能量收集電源和一個(gè)同步降壓-升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (該轉(zhuǎn)換器由可再充電主電池供電)，以為WSN 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備等能量收集應(yīng)用提供一個(gè)不間斷輸出。

圖 2：LTC3331 可轉(zhuǎn)換多種能量源，并能使用一個(gè)可再充電的主電池

LTC3331 的能量收集電源由一個(gè)適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電 (AC) 、太陽能(DC) 或磁性組件 (AC)能源收集能量。一個(gè) 10mA 分路器用收集的能量實(shí)現(xiàn)簡便的電池充電，而低電量電池?cái)嘟庸δ軇t保護(hù)電池免于深度放電。可再充電電池給一個(gè)同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在 1.8V 至5.5V 的輸入范圍內(nèi)工作，當(dāng)收集的能量不可用時(shí)用來調(diào)節(jié)輸出，而不管輸入高于、低于或等于輸出。在應(yīng)對(duì)微功率電源時(shí)，LTC3331 電池充電器擁有非常重要且不可忽視的電源管理功能。LTC3331 納入了對(duì)電池充電器的邏輯控制功能，以便僅在能量收集電源有多余的能量時(shí)才給電池充電。如果沒有這種邏輯控制功能，能量收集電源就會(huì)在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳的工作點(diǎn)上，不能完成啟動(dòng)，無法給目標(biāo)應(yīng)用供電。當(dāng)收集的能源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到電池。這帶來了一個(gè)額外的好處，即：如果適合的能量收集電源至少在一半的時(shí)間內(nèi)可用，就允許電池供電的 WSN 將其工作壽命從10 年延長至超過 20年，假如環(huán)境能量源更加普遍存在，那么壽命甚至更長。

結(jié)論

智能型醫(yī)療可穿戴產(chǎn)品市場已蓄勢待發(fā)。在醫(yī)院病患照護(hù)的高成本和呈爆炸性增長的人口老齡化的共同影響下形成推動(dòng)力。包括使用傳感器的醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備在內(nèi)的這新一波產(chǎn)品可監(jiān)視關(guān)鍵生物統(tǒng)計(jì)信息，例如在醫(yī)院以外測量心率和血壓，這為采用更加積極、健康的生活方式創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。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、無線連接電路、電池和支持性電子組件組成。

因此，擁有目前這波能夠利用多種形式的環(huán)境能量，以為人體健康監(jiān)測裝置供電的多功能能量收集和/ 或IoT 解決方案，就可以在不影響患者完全康復(fù)的情況下，讓他們較快地返回自己的家中進(jìn)行治療和休養(yǎng)。