得益于超便攜式可穿戴監測設備在市場的普及，數字健康正在經歷一場革命。這些設備能夠幫助長期和慢性疾病患者在日常生活中進行健康監測，從而比以往任何時候都可以更加方便地提供高水平護理。然而，為這些設備提供長時間供電，但又不能使用大體積電池，這給設計師帶來了極大挑戰。

與大多數“技術”設備一樣，每一代可穿戴設備都比上一代產品具有更多的功能和特性。由于更多的功能需要更多的功率，這通常會加劇對電源的挑戰。在可穿戴設備中，不可能增大電池的尺寸，因為這會增加設備的整體尺寸和重量，對所有用戶都不方便，而且可能使佩戴設備的老年患者或嬰兒承受更大的負擔。同樣不能接受的是縮短兩次電池充電的間隔時間，因而余下的唯一選擇是找到更智能的方法來管理設備使用的電源。

可穿戴設備：一個完整的系統設計

可穿戴醫療設備盡管體積很小，但卻是功能完整的一個系統，包含了所有基本元素。典型的可穿戴醫療設備包括：

·微控制器單元（MCU），用于運行代碼/固件，并管理和處理數據。

·能夠提供電力并使設備正常工作的可充電電池

·用于收集待監測物理參數數據的傳感器，這可能是心率監測器（pulse meter）或葡萄糖監測儀，也可能是加速度計或陀螺儀等通用傳感器

·無線通信接口，這通常是一種常見的低功耗協議，如藍牙?低功耗（BLE）或近場通信（NFC）

·安全保證，通常是結合硬件和軟件技術，將所有數據傳輸加密，并防止惡意干擾固件

所有的醫療監測設備都有特定的用途，即便是一個監測生命體征參數的通用健身帶也是如此。監測設備的用途決定了要選擇何種MCU和傳感器，尤其是測量精度、可靠性和重復性等參數。單次電池充電后可以保持的監測時間長度也會影響組件選擇，在某些情況下，需要采用超低功耗器件。MCU是系統的核心，集成了包括傳感器和其他組件在內的所有外圍元件。在許多情況下，系統在體系架構上通常將外圍設備分組或分域設計，有些域或組在不需要時可以斷電。例如，系統僅在傳輸數據時才需要射頻部分，或者某個特定傳感器可能每分鐘只讀取一次數據，可以在中間未工作期間斷電。

電池

近年來電池技術得到了一定發展，原有的電池化學物質得到了改進，新的化學物質也在不斷開發。在可穿戴設備中最常見的電池類型是鋰離子電池，一個單元可產生3.2V到4V的電壓。雖然鋰離子聚合物（Lipo）電池已經用于某些可穿戴產品，但由于鋰離子電池具有較高的存儲容量和環境相對友好的特點，因而仍是首選電池。

然而，無論電池技術如何發展，其物理定律仍然適用。鋰離子電池的存儲容量與其物理尺寸之間存在著很強的關聯，在大多數空間受限的設計（如可穿戴式）中，由于電池尺寸限制，為設備提供長時間供電的能量相對較少。為了改善這種狀況，人們正在繼續研究新的材料和技術。多項研究表明，石墨烯有可能大幅度提高單位體積電池的容量。另一種技術是超級電容器，這種途徑近來受益于納米技術的發展。

超低功耗MCU

為了設計一個現代可穿戴設備，設計師們正在選擇盡可能低功耗的MCU。目前，被認為最先進的MCU在工作時消耗的電流明顯小于1mA，而在睡眠模式下只消耗幾個nA的電流。除了自身的攻耗外，由于MCU還需要控制外圍設備的能源供應，因此它在系統整體功耗中起著至關重要的作用，目標是確保不浪費任何寶貴的電池容量。

Maxim Integrated（美信）的MAX32660 MCU在性能和效率之間達到完美平衡，使其成為可穿戴設備設計的理想選擇。該MCU基于32位ARM?Cortex?M4內核，包括一個浮點單元（FPU）處理器，以及用于傳感器和其他設備的外圍管理功能。MAX32660可以控制外部存儲設備，允許開發和運行高級處理算法。在功耗方面，該器件在業界處于領先地位，每MHz時鐘速度只需要50μW的功率。在物理尺寸方面，該器件采用為1.6mm x 1.6mm WLP封裝，使其能夠輕松地集成在空間受限的可穿戴設備。

圖1：MAX32660功能框圖。（來源：Maxim Integrated）

另一家為醫療可穿戴設備提供多種超低功耗32位MCU的供應商是Microchip，該公司的SAM系列包括基于ARM?Cortex?-M0+技術的小型SAM D MCU，基于PIC32MX XLP的高性能MCU，以及SAM L系列超低功耗器件。在休眠模式下，這些高能效器件僅需200nA電流，而在活動模式下，所需的電流小于35μA/MHz。這些器件雖然體積小，能耗低，但卻功能豐富，包括有LCD端口、運算放大器、實時時鐘和mTouch感測，以及USB和直接內存訪問（DMA）接口等。

Silicon Labs的 EFM32 Giant Gecko ARM Cortex-M3是另一款面向醫用可穿戴設備的32位MCU。這些器件包括有自主的低能耗外圍設備，例如用于增強安全性的AES加密、一個用于通信的UART、一個低功率傳感器接口和集成運算放大器。

圖2：EFM32 功能框圖（來源：Silicon Labs）

不再需要電池

在醫療應用中，由于患者可能會忘記給電池定期充電，這意味著可能無法對患者進行監測，因而電池技術是一個很大挑戰。在某些情況下，可能會讓護理者承擔充電的責任，但這為醫療系統增加了進一步負擔。出于這些原因，醫療行業對于采用基于電池的醫療監控設備進展緩慢，這使得制造商們開始為可穿戴設備供電尋找其他替代方案。

能量收集技術不依賴于儲存在電池中的能量，而是通過利用來自太陽的光或熱量，或者佩戴可穿戴設備患者活動時的運動來產生電力。只要有足夠的光/熱/運動，通過這種方式就能夠提供無限的能量來源，可以讓可穿戴設備無限制地運行，而沒有中斷的風險。

平均每人每天以熱量或者運動的方式消耗107J的能量，這意味著只要熱量/運動可以轉化為電能，就有足夠的能量為小型可穿戴設備提供電能

將熱量轉化為電能的原理是塞貝克效應（Seebeck effect），如果兩點之間具有溫差即可產生電壓。在可穿戴設備的情況下，這可以是患者（熱端）和周圍環境（冷端）的差異。用于這種轉換的技術是一種基于半導體的珀耳帖電池（Peltier cell），它能夠每周7天，每天24小時提供不間斷的能量，而不像太陽能光伏那樣，在室內不能很好地運行，在夜間則完全不能工作。

當病人運動時，他們也可產生能量，這種機械運動可以通過使用壓電元件轉換成電能，壓電元件對于每一個動作（如行走或運動）都會產生一個小電流。Wurth Electronics的能量收集解決方案即用開發工具包為開發人員提供了一種在能量收集領域設計起步的簡單方法。

板上電壓調節

可穿戴設備通常含有一個板載DC/DC轉換器，即使電源存在某種波動，也能夠確保向系統所有設備提供的電壓恒定。先進的DC/DC轉換器通常由MCU控制，能夠管理設備中的所有能量，從而盡可能高效地使用這些能量，同時也包括DC/DC轉換器本身不消耗太多的電能。

Linear Technology的LTC3107是一款高集成度DC/DC轉換器解決方案，該器件特別針對能量收集機制而設計，本身非常節省能源。通過結合使用來自熱源的能量收集和電池能量，可顯著延長可穿戴設備的電池壽命，從而降低與更換電池相關的成本和不便。

圖3：LTC3107 典型應用電路。（來源：Linear Technology）

可穿戴醫療設備未來將繼續提供更多功能，同時體積變得更小，需要創新的電源管理解決方案。雖然更高效地使用電池能量是一種顯而易見的方法，但是，借助于先進DC/DC轉換器的良好管理，能量收集技術也可以提供許多好處，其中包括更高的便利性。