引言
全球范圍內(nèi)有很高比例的成人需要定期監(jiān)測(cè)個(gè)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(duì)便攜式醫(yī)療裝置的需求越來越旺盛,這種醫(yī)療裝置可實(shí)現(xiàn)上述任務(wù),甚至集成更多功能。而且這種趨勢(shì)不會(huì)停止。
體積、重量、可靠性、安全性以及功耗是設(shè)計(jì)現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置的關(guān)鍵因素?,F(xiàn)在典型的便攜式醫(yī)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(hào)調(diào)制并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);微控制器,用于對(duì)采集信號(hào)執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算,在集成LCD屏幕上顯示信息,或者將數(shù)據(jù)發(fā)送至有線/無線裝置。實(shí)現(xiàn)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(duì)這些便攜式裝置至關(guān)重要。本文介紹一款單片低功耗片上系統(tǒng)(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(yī)療裝置,又適合用于使用可充電電池供電的醫(yī)療裝置。我們還將討論第二款設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)。然后討論轉(zhuǎn)向集成式方案、在不影響功率預(yù)算的情況下提高性能所帶來的好處。我們也研究節(jié)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(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置連接至智能電話是多么簡(jiǎn)單,以及如何擴(kuò)展應(yīng)用范圍和使用看起來無限的數(shù)據(jù)。
分立式方案的復(fù)雜性、成本和空間
我們的討論首先從簡(jiǎn)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(jì)、背光照明電源以及線性/開關(guān)穩(wěn)壓器。AFE通常要求ADC、DAC、運(yùn)放、比較器、模擬開關(guān)和電壓基準(zhǔn)。使用如此多的分立式器件會(huì)潛在影響系統(tǒng)可靠性,同時(shí)也毫無疑問地增加成本和電路板空間。
圖1. 便攜式醫(yī)療設(shè)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(xiàn)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)并提高性能。
安全的醫(yī)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(jìn)的安全信賴保護(hù),不同于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的電源方案。有線和無線通信接口為用戶將醫(yī)療裝置連接至其它便攜式主機(jī),例如PDA或智能手機(jī),提供了多種選擇。
圖3. 高度集成的微控制器SoC優(yōu)化用于便攜式醫(yī)療設(shè)備,具有AFE和信賴保護(hù)單元的高安全性。有線外設(shè)提高了系統(tǒng)靈活性,多種電源管理模式節(jié)省功耗。
AFE管理模擬功能
AFE核包括一個(gè)SAR ADC,ADC具有500ksps高采樣率和16位分辨率,在輸入信號(hào)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(shí)際上,過采樣和平均法提高了SNR,從而獲得附加分辨率位數(shù)。對(duì)于每個(gè)附加分辨率位,必須以因子4對(duì)信號(hào)進(jìn)行過采樣。
fOS= 4w × fS (式1)
式中:
w為相應(yīng)附加分辨率位的數(shù)量
fS為相應(yīng)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(fā)數(shù)據(jù);通過存儲(chǔ)器直接訪問(DMA)將數(shù)據(jù)保存至SRAM;然后喚醒處理器。ADC的接口提供可編程陣發(fā)采樣率(TS獨(dú)立于TS_avg)以及可編程平均陣發(fā)長(zhǎng)度(2、4、8、16、32、64、128)。
通過可配置的單端/差分多路復(fù)用器,可以選擇輸入信號(hào)類型。ADC前端為差分放大器,具有可編程增益:1、2和4?;鶞?zhǔn)電壓可設(shè)置為1.0V、1.5V、2.0V和2.5V,將動(dòng)態(tài)范圍最大化。四個(gè)具有比較器模式的不限特定用途運(yùn)放和四個(gè)SPST開關(guān)可用于附加信號(hào)調(diào)理。
兩個(gè)12位DAC、兩個(gè)8位DAC、一個(gè)附加電壓基準(zhǔn)(與前一個(gè)相同,也可編程)、一個(gè)溫度傳感器(可使用內(nèi)部或外部PN結(jié))以及用于驅(qū)動(dòng)LED的可編程流入電流源進(jìn)一步完善模擬設(shè)計(jì)。
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(dòng)態(tài)性能、降低總線帶寬。
圖4. 插值濾波器提高DAC的動(dòng)態(tài)性能
可以將DAC碼型的開始與ADC采樣同步,有利于使用數(shù)字波形合成和同步電路(用于相干波形發(fā)生和ADC數(shù)據(jù)捕獲)測(cè)量阻抗(圖5)。
圖5. 用于阻抗測(cè)量的信號(hào)處理方框圖。
信賴保護(hù)單元提供必不可少的安全性
嵌入式安全對(duì)于保護(hù)醫(yī)療裝置的數(shù)據(jù)完整性至關(guān)重要。閃存和SRAM可利用內(nèi)部電池備份存儲(chǔ)器中的密鑰進(jìn)行加密,從而保護(hù)SoC固件。通過嵌入式加密電路提供器件安全認(rèn)證,適合于對(duì)稱和非對(duì)稱加密方法。
關(guān)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(qiáng)調(diào)的是MAX32600支持AES加密和ECDSA安全認(rèn)證1。觸發(fā)集成式動(dòng)態(tài)篡改檢測(cè)器時(shí),系統(tǒng)的公鑰和私鑰將被銷毀。系統(tǒng)的FIPS認(rèn)證偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可經(jīng)受和防止安全攻擊。使用獨(dú)立的內(nèi)部異步環(huán)形振蕩器防止定時(shí)攻擊。
低功耗至關(guān)重要
多種集成方法節(jié)省功耗。SoC采用低至2.2V的電壓工作,對(duì)于使用一次性電池供電的便攜式醫(yī)療裝置,這是一項(xiàng)非常大的好處。嵌入式內(nèi)核在24MHz時(shí)的工作電流為175μA/MHz,具有使能實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的1.8μA低功耗模式,具有多種節(jié)省功耗的電源管理模式。關(guān)斷處于非工作狀態(tài)外設(shè)的選項(xiàng)甚至可節(jié)省更多功耗。
6通道DMA控制器支持外設(shè)在微控制器處于休眠模式時(shí)工作。在這種方式下,ADC可設(shè)置為掃描輸入通道、捕獲數(shù)據(jù),只在需要處理時(shí)喚醒內(nèi)核。
有線外設(shè)增加接口靈活性
嵌入式外設(shè)提供實(shí)現(xiàn)便攜式醫(yī)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(tǒng)成本。集成電壓調(diào)節(jié)器支持在連接至USB主機(jī)時(shí)在主電源和VBUS之間智能切換。該功能對(duì)于VDD電源為電池的系統(tǒng)尤其有利。
多達(dá)三個(gè)SPI主機(jī)UART支持與多個(gè)外設(shè)從機(jī)進(jìn)行同步通信,數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)到高達(dá)24MHz。DMA具有發(fā)送和接收緩沖器。兩個(gè)I2C總線主機(jī)/從機(jī)接口支持與各種各樣支持I2C接口的外設(shè)進(jìn)行通信。支持主機(jī)和從機(jī)協(xié)議。兩個(gè)同步/異步接收器/發(fā)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(shè)增加無外部線纜連通性
Bluetoothv4.0低功耗從機(jī)覆蓋2.400GHz至2.4832 GHz RF頻率范圍,可用于連接人工胰腺應(yīng)用中的血糖傳感器和胰島素泵。免費(fèi)提供帶有醫(yī)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(fā)器(315、433、868和915MHz)支持FFSK、FMSK、AFSK調(diào)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(yī)療裝置的安全性且節(jié)省空間
我們現(xiàn)在討論由外部可充電電源供電的便攜式醫(yī)療裝置。MAX14663PMIC (圖6) 集成鋰離子(Li+)開關(guān)充電器,是針對(duì)空間受限便攜式醫(yī)療裝置進(jìn)行優(yōu)化的電源方案;與MAX32600微控制器SoC配合使用時(shí),最大限度提高功率,節(jié)省寶貴的設(shè)計(jì)空間,以及增加附加功能。我們?cè)谏衔闹幸呀?jīng)介紹了MAX32600SoC,現(xiàn)在我們討論MAX14663的電池管理和USB連接功能。
圖6. BGM優(yōu)化電源方案,帶有電纜檢測(cè)功能。
整體電池功能
電池密封保證長(zhǎng)時(shí)間供電
便攜式醫(yī)療設(shè)備必須保證可靠充電,隨時(shí)備用。所以,設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在裝置的“保存期”內(nèi)保證有電。MAX14663集成關(guān)斷電池的開關(guān),保證其斷開,直到最終用戶首次打開醫(yī)療裝置。例如,生產(chǎn)階段結(jié)束時(shí),可利用I2C命令或正確的SEAL引腳連接將電池?cái)嚅_,從而防止設(shè)備保存期內(nèi)放電。
只需激活連接至KIN輸入的按鈕或者連接至USB主機(jī),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(guān)配合,保存電池電量。
電量計(jì)準(zhǔn)確指示充電狀態(tài)
集成式電量計(jì)基于ModelGauge技術(shù),僅利用電壓信息提供電池的充電狀態(tài)(SOC);使用非常詳盡、非線性電池模型,可高精度監(jiān)測(cè)充電和電池行為。為正確操作,必須將Maxim在工廠進(jìn)行特征分析后提供的電池模型裝載至器件的內(nèi)部易失存儲(chǔ)器。
圖8所示為ModelGauge技術(shù)的性能。隨機(jī)時(shí)間長(zhǎng)度的隨機(jī)負(fù)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(qū)分,實(shí)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(cè)的誤差軸Y讀數(shù)。
這些數(shù)據(jù)表明,ModelGauge電量計(jì)的誤差與加熱法相似,誤差在0%附近上下移動(dòng),不同于庫倫計(jì)數(shù)器等累積方法。
圖8. 充電狀態(tài)(SOC)與時(shí)間的關(guān)系。數(shù)據(jù)表明,ModelGauge技術(shù)不隨時(shí)間累積誤差。
電量計(jì)工作電流為23μA;充電/放電率較低時(shí),電量計(jì)自動(dòng)進(jìn)入4μA深度休眠模式。這種后臺(tái)模式不會(huì)犧牲電量計(jì)精度。通過允許系統(tǒng)完全關(guān)斷,甚至關(guān)斷一些振蕩器,利用報(bào)警降低系統(tǒng)功耗,以及達(dá)到這種4μA后臺(tái)模式。電量計(jì)采用報(bào)警喚醒所有電路。
電池充電器最大程度降低功率損耗
開關(guān)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(diǎn),否則在必須測(cè)量對(duì)溫度非常敏感的小信號(hào)時(shí)會(huì)影響精度。
根據(jù)工作模式調(diào)節(jié)電流:
· 預(yù)充模式。電池電壓低于預(yù)充門限電壓(可通過I2C在2.4V至3.1V范圍內(nèi)設(shè)置)時(shí),將電流限制到小于0.1C。
· 快充模式。在CC/CV模式下,根據(jù)設(shè)置的快充電流調(diào)節(jié)電流,范圍為50mA至500mA,步長(zhǎng)為25mA。
· 自動(dòng)停止模式。如果設(shè)置了自動(dòng)模式,將在達(dá)到設(shè)定的恒壓(3.5V至4.4V)以及電流下降至設(shè)定值(12.5mA至150mA)時(shí)停止充電。也可以利用I2C命令停止充電。
充電器也通過電池?zé)崦?a target="_blank">電阻監(jiān)測(cè)電池溫度。溫度信息可用于實(shí)施JEITA建議,為了安全起見而根據(jù)電池溫度更改終止電壓和快充電流(圖9)。
圖9. 按照J(rèn)EITA建議,根據(jù)電池溫度更改充電電流和終止電壓。
電源選擇器延長(zhǎng)電池壽命
當(dāng)VB在可接受范圍之內(nèi)時(shí),系統(tǒng)電壓來自于USB;無VB時(shí),系統(tǒng)電壓來自于電池。該操作是自動(dòng)完成的。
升壓調(diào)節(jié)器允許直接連接WLED燈串和OLED顯示屏
基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)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(nèi)調(diào)節(jié),步長(zhǎng)為1V。真關(guān)斷開關(guān)將負(fù)載徹底斷開,將耗流降至最小。
獨(dú)立調(diào)節(jié)LED燈串電流的流入電流源
三個(gè)獨(dú)立的線性電流調(diào)節(jié)器可直接連接至升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓。此時(shí),電流可調(diào)節(jié)至高達(dá)32.5mA,分為25級(jí)。PWM信號(hào)可用于調(diào)光(圖10)。
圖10. 來自于流入電流源的電流可分25級(jí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
內(nèi)置ESD反向電壓和過壓保護(hù)確保系統(tǒng)安全
系統(tǒng)(圖11)具有反向電壓保護(hù)(RVP),可預(yù)防VBUS上高達(dá)-5.5V的電壓,以及防止高達(dá)28V的過壓(OVP)。該保護(hù)功能可防止偽劣電池充電器試圖使用USB接口而損壞設(shè)備。系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)至5V;對(duì)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(dòng)斷開系統(tǒng)電壓,以保護(hù)設(shè)備。
圖11. 內(nèi)置ESD反向電壓和過壓保護(hù)。
參見圖11,VB、DP和DM引腳上具有±15kVESD保護(hù)(HBM)。USB側(cè)的另一項(xiàng)功能是電纜檢測(cè)。上行端口為OFF時(shí),因而表示VBUS未出現(xiàn)或者電纜僅連接至設(shè)備側(cè)時(shí),系統(tǒng)將檢測(cè)電纜插入。
當(dāng)未出現(xiàn)VBUS時(shí),通過注入小電流,然后測(cè)量電纜電容和連接至上行端口的電容,實(shí)現(xiàn)電纜檢測(cè)??赏ㄟ^I2C設(shè)置檢測(cè)門限,以適應(yīng)不同的PCB布局和連接器類型。
總結(jié)
我們開篇首先陳述了數(shù)以百萬計(jì)的人需要監(jiān)測(cè)其個(gè)人生命體征。顯而易見,人們需要有工具能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行檢查。所以人們尋求更便攜的醫(yī)療裝置的出現(xiàn)就毫不奇怪了:這種醫(yī)療裝置小巧、高精度、電源效率高。
我們?cè)诒疚闹兄攸c(diǎn)關(guān)注了用于現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置的高效電源管理系統(tǒng)。我們討論了兩款器件。我們首先介紹了低功耗、醫(yī)療微控制器片上系統(tǒng) (SoC,MAX32600),該器件集成了執(zhí)行模擬功能的AFE和用于高級(jí)數(shù)據(jù)安全性的信賴保護(hù)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(yī)療裝置。我們也介紹了利用可充電電池供電的醫(yī)療裝置。該系統(tǒng)使用帶有微控制器SoC的PMIC(MAX14663),將電源效率最大化,節(jié)省寶貴的設(shè)計(jì)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(kuò)展方案,而無需大的架構(gòu)變化。例如,您可增加可選的無線外設(shè),用于連接至智能手機(jī)。一旦實(shí)現(xiàn)以上功能,即可充分利用智能手機(jī)的日常優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)更多的便攜式醫(yī)療應(yīng)用。
最后,我們討論了高度集成相對(duì)于使用眾多分立式元件的傳統(tǒng)電源方案的優(yōu)勢(shì)。除了空間和成本節(jié)省方面的明顯優(yōu)勢(shì)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。
評(píng)論
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