隨著全民健康意識的覺醒與運動文化的蓬勃發展，精準的運動心率監測已成為科學健身的核心需求。無論是跑步、騎行還是力量訓練，實時心率數據不僅幫助用戶優化訓練強度、避免運動損傷，也能為慢性病管理及亞健康干預提供關鍵依據。高精度超長待機的運動心率帶產品越來越受歡迎。

然而，核心芯片高功耗導致的續航短板、運動干擾引發的測量誤差，以及復雜的開發流程，仍是困擾廠商的三大難題。領慧立芯推出的LH001-91芯片，具有超低功耗與超低噪聲性能，同時我們推出了接近量產需求的整體解決方案。該方案賦能產品開發者，在運動安全、效率提升及健康管理等方面提供底層支持，為人們健康生活注入科技溫度。

領慧立芯設計驗證了基于LH001-91的兩電極心率帶方案，搭配BLE SoC實現了接近量產需求的交鑰匙方案，評測顯示系統休眠功耗約6uA，工作條件：使用16深度 FIFO, 125SPS采樣率時，等效到輸入端噪聲大概 0.93uVrms可以實現醫療診斷級別的ECG信號質量，其中AFE功耗約203uA;加上藍牙數據傳輸系統整機功耗在320uA左右;使用一節3V/230mAH紐扣電池，理論計算續航時間輕松超過500小時，休眠續航時間理論計算也超3年。

本文將介紹LH001-91芯片特點、方案設計思路并展示實際的測試數據。

LH001-91方案采集到的ECG信號

一、LH001-91芯片：嚴肅醫療級ECGEEG AFE追求低噪聲與低功耗的極致組合

領慧立芯LH001-91是一款可以覆蓋嚴肅醫療診斷級ECG、監護儀、EEG及運動健康級心率心電應用的專用模擬前端芯片，其核心優勢在于：

?低噪聲可編程增益放大器(PGA)和高分辨率 24 位模數轉換器(ADC)

- 輸入參考噪聲：2.9 μVpp (250 SPS，增益 6)

- ECG 通道輸入偏置電流：Max +-200pA，輸入阻抗不小于1GOHM

- PGA增益9檔可選：1,2,3,4,6,8,12,24,48

- 數據速率：125SPS 至 8kSPS

- 共模抑制比(CMRR)：117dB

?超低功耗：

- 待機模式電流 0.2 μA。

- 超低供電電壓：模擬2.4V 至 3.6V ;數字：1.7V 至 3.6V

- 數據深度32 的FIFO有助于系統功耗優化

- 根據需要可以提供優化功耗-性能配置

?高集成小體積：

- 內置右腿驅動放大器、導聯脫落檢測、低功耗時鐘、溫度傳感器、測試信號

- 40 腳，5mm x5mm QFN 封裝;

- 30 球，2.95mm x2.95mm WLCSP 封裝

LH001-91系統框圖

二、直擊行業痛點：基于LH001-91的針對性系統設計

1. 續航焦慮?靈活的功耗-性能優化配置實現極致體驗

為了滿足不同運動場景提高用戶體驗，穿戴心率帶產品需要具備超長續航及超長待機能力，避免頻繁充電或者更換電池。

超長續航是指心率帶在正常使用過程，如持續監測ECG信號，正常的算法功能、藍牙通信功能運行時，系統滿電單次可以工作的小時數。比如使用3V /230mAH的CR2032電池，設計續航時間為500小時，則理論計算系統平均功耗需要小于460uA。這對心率帶方案中關鍵芯片如ECG AFE和BLE SoC的工作功耗及最小工作電壓都提出比較高的要求。

LH001-91在設計之初考慮到低功耗需求，內部設置了一系列寄存器可以實現芯片功耗的優化配置。功耗調節范圍從190uA到252uA

超長待機是指心率帶不使用時，系統進入低功耗模式，在此模式電池從滿電到低于系統工作電壓前的小時數。對心率帶使用間歇頻繁、間隔時間長的應用場景來說超長待機對提升用戶體驗非常重要。舉例來說，使用3V /230mAH的CR2032電池，考慮到電池自放電率1-3%，設計續航時間為2年即17520小時，則理論計算系統平均功耗需要小于12.3uA。

這對ECG AFE，BLE SoC及系統睡眠喚醒電路設計都有很高的要求。一般BLE SoC工作在GPIO可以喚醒模式的功耗大概在2-5uA。心率帶睡眠喚醒功能電路一般由低功耗運放、比較器及RC構成，其功耗大概需要3-5uA。留給ECG AFE的功耗在2-7uA。LH001-91具有非常低的休眠功耗，0.2uA，為其他關鍵芯片選型留出很大空間。

2.測量不準?高性能PGA+ADC應對各種極端場景心率帶為了方便佩戴及易于維護一般使用干電極(無需電解質)如金屬電極、導電橡膠、導電織物等。干電極相對于濕電極(有電解質)有天然的缺點：如阻抗高，特別是在干燥的秋冬季，干電極直接與皮膚接觸，接觸阻抗激增，可能導致心電信號建立緩慢、漂移、斷續、失準甚至丟失。

LH001-91的PGA輸入偏置電流最大值+-200pA，無導聯脫落檢測時輸入阻抗大于1GOHM，PGA增益選擇多達9種：1,2,3,4,6,8,12,24,48。PGA+ADC的等效輸入噪聲低達2.9uVpp。這些特性有助于提高各種極端條件下心率信號的采集質量。

三、從原理圖到量產：交鑰匙方案實戰解析

1.低功耗設計方案

兩電極下如何實現導聯脫落檢測和系統共模抑制比

心率帶產品小體積設計可以極大提高客戶的穿戴體驗，所以心率帶產品的PCBA設計越小越輕便越好。醫療級單導ECG信號檢測需要3個電極可以達到性能最優化，其中2個電極做ECG微弱信號的檢測，另一個電極做右腿驅動，讓人體可以偏置在一個非常穩定的共模電壓，這樣的設置也方便實現電極脫落的檢測。市面上心率帶類產品主要采用了2個電極，這雖然減少了系統體積和成本，但給導聯脫落檢測和極端使用環境的ECG信號檢測帶來挑戰。

領慧立芯經過反復論證和測試，提供了一套解決方案，采用兩電極可以實現可靠的導聯脫落檢測，實現可靠的感知佩戴動作和脫掉動作，讓系統進入正常工作模式或進入睡眠模式。從而實現前述的超長續航和超長待機的目標。

如下圖所示，在LH001-91的AIN0/AIN1設置上下拉電阻實現導聯脫離檢測功能。當心率帶接入人體，電極1的電壓由VCC降低到0.5VCC，觸發比較器閾值，比較器輸出電平翻轉，喚醒系統進入正常工作模式;當心率帶脫離人體，電極1的電壓恢復到VCC，比較器輸出再次翻轉，系統進入睡眠模式。

兩電極ECG導聯脫落檢測實現系統睡眠/喚醒功能

由于LH001-91輸入偏置電流非常小，輸入等效阻抗不小于1GOHM，允許AIN0/AIN1的上下拉電阻使用更大的阻值以提高ECG信號檢測質量，特別是應對干燥皮膚/干燥環境情況。一般設置上下拉電阻10M-50M，可以根據實際調試效果，平衡選取合適的阻值。

LH001-91隱藏的秘訣：可以提供極大的性能-功耗優化空間

LH001-91設計之初考慮到院內外嚴肅醫療級應用和運動健康類應用的需求，允許配置相應寄存器來優化功耗平衡性能。功耗優化后可以降低30%以上功耗，噪聲性能也能接近醫療診斷級要求，遠超醫療監護級要求。以下表格展示了LH001-91的幾種配置模式下功耗與噪聲性能，我們提供的解決方案中包含了配置源代碼API，簡化了客戶開發工作。

2.極端條件下的高質量信號采集技巧

ECG采集信號鏈中，由于PGA的輸入阻抗高達1GOHM，為了給人體提供穩定的共模電壓，兩電極方案中LH001-91的AIN0/AIN1設置了上下拉電阻，可以調整阻值從10MOHM到50MOHM來優化系統性能。雖然高輸入阻抗有利于緩解干燥皮膚/干燥環境下性能劣化，但是也容易引入外界電磁干擾，這是業內普遍面臨的挑戰。

領慧立芯的工程師經過建模仿真及實際測試，給出一套優化性能的解決思路。

下圖中V1模擬環境中的工頻干擾，對于系統表現為共模干擾信號。R5、R6模擬電極與皮膚的接觸阻抗。R3、R4為電極提供穩定共模電壓。OUT+、OUT-連接到LH001-91的AIN0/AIN1。我們分兩方面來分析外部電路如何應對干燥皮膚高阻抗和外界共模干擾。

LH001-91與人體接觸的電路模型

抑制外界共模干擾

如果AIN1/AIN1的這些電阻電容容差為0，則外部電路的共模抑制能力理論上是無窮大，外界工頻干擾會被完全抑制掉。實際情況R3/R4常見電阻容差+-1%，CMRR將迅速劣化到60-70dB，如果出現大的外界干擾很容易影響測量準確度。選用容差等級高的電阻CMRR將明顯改善。

應對干燥皮膚和干燥環境影響

干燥皮膚和干燥環境會導致電極與皮膚接觸阻抗激增，極端情況可能達到幾百KOHM到MOHM級別，這種情況將直接導致AIN0/AIN1的偏置電壓接近供電軌而導致PGA飽和，信號將中斷或者消失。采取這些措施及他們的組合有助于改善系統性能：R3/R4選擇更大阻值、配置LH001-91的PGA增益為更低等。

筆者還有一些其他思路來解此挑戰，比如采用動態調整偏置電阻的方法，3電極方案等，如果您也有奇思妙想，歡迎聯系筆者共同探討求證，筆者郵箱fae@legendsemi.com。

3.軟硬件開發：低門檻，高效率

原理圖開源

本文提到的交鑰匙方案，硬件接近量產需求，采用LH001-91和NRF52832實現2電極ECG信號采集和藍牙傳輸。系統硬件能實現低功耗休眠/喚醒功能，理論可實現500小時以上續航及2-3年的休眠待機。

API開源

提供LH001-91的低功耗API函數，提供基本的基線去除算法，支持客戶二次開發。

PC端藍牙上位機軟件

提供PC端的藍牙上位機軟件，方便客戶快速評測LH001-91的性能，加快產品開發迭代速度。

結語

領慧立芯LH001-91以其卓越的性能與完整方案，幫助行業伙伴加速開發迭代運動心率帶產品，讓更多熱愛運動的人用上心率帶，實現科學運動。

領慧立芯在醫療級ECG，EEG，EMG領域深耕多年，打磨了一系列高性能的AFE芯片及解決方案。LHE7908、LHA7878系列AFE適合高性能低功耗多導心電圖機、監護儀、Holter等應用。LHE7909，LH001-99 AFE以其超低噪聲性能適合高性能腦電、肌電等應用。

如對本文提到的解決方案感興趣，歡迎聯系我們技術支持團隊索取原理圖和源代碼等資料。如需申請樣品，請聯系領慧立芯區域銷售團隊。