延長醫(yī)療可穿戴設(shè)備的電池壽命

對于便攜式醫(yī)療設(shè)備而言，需延長其電池壽命，減小其外形尺寸，從而確保患者成功使用、實現(xiàn)積極的醫(yī)療效果。使用納安級功耗開關(guān)控制器MAX16164，不僅能夠解決壽命及便攜性問題，還將通過可編程休眠時間提供設(shè)計靈活性。

引言

健康是生活幸福滿足的基礎(chǔ)。近期，新冠疫情進一步凸顯了健康生活方式的必要性與重要性，并強調(diào)持續(xù)健康監(jiān)測的關(guān)鍵意義。借助活動追蹤器、血壓監(jiān)護儀、生物傳感器、連續(xù)血糖監(jiān)測儀（CGM）等可穿戴醫(yī)療設(shè)備，人們能夠定期監(jiān)測重要的健康信息，例如計算每日步數(shù)、檢測摔倒情況、跟蹤檢查心率以判斷是否發(fā)生房顫，或者監(jiān)測血糖水平。此類設(shè)備默默持續(xù)收集重要數(shù)據(jù)，以便用于診斷和治療。最近，半導(dǎo)體技術(shù)不斷創(chuàng)新，且消費者對健康監(jiān)測的需求日益增加，因此，人們對可穿戴醫(yī)療設(shè)備的需求隨之驟增。

電池供電/可穿戴醫(yī)療技術(shù)的挑戰(zhàn)

在設(shè)計可穿戴醫(yī)療設(shè)備時，需要考量多種重要因素，其中至為重要的一項是操作高效可靠且尺寸小巧。例如，CGM可跟蹤用戶的血糖水平，并指示血糖水平是否過高或過低。1型或2型糖尿病患者必須根據(jù)所示血糖變化做出相應(yīng)反應(yīng)，如果不及時治療，則會導(dǎo)致脫水和糖尿病性昏迷而危及生命。在CGM技術(shù)出現(xiàn)之前，用戶每天都需要多次刺破手指，采血測量血糖水平。然而所幸的是，可穿戴CGM減少了刺破手指進行血液分析的需求。CGM貼片采用電池供電，因此，電池續(xù)航時間越長，用戶需要更換貼片的次數(shù)則越少。顯然，這一特性令用戶高度期待。

目前，系統(tǒng)設(shè)計人員具備多種工具，用以延長電池供電設(shè)備的電池壽命。除電池類型及尺寸因素外，許多低功耗器件也可降低系統(tǒng)功耗，包括低功耗微控制器、低功耗信號調(diào)理器、降壓/升壓轉(zhuǎn)換器、負載開關(guān)和LDO。首先，低靜態(tài)電流能夠降低系統(tǒng)待機功耗，從而顯著延長電池壽命。其次，借助納安級功耗降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和信號調(diào)理器等納安級功耗器件，新型解決方案架構(gòu)可以進一步降低系統(tǒng)功耗。

在多項醫(yī)療應(yīng)用中，例如連續(xù)血糖監(jiān)測以及心電圖，系統(tǒng)需要定期自動監(jiān)測并報告信息。這意味著設(shè)備需要保持開機，但在不進行測量或報告時，則需盡可能減少消耗。微控制器和微處理器能夠執(zhí)行這項任務(wù)，但二者往往功耗太高，即使在低功耗或休眠模式下也是如此。此外，還有一種周期性喚醒系統(tǒng)的解決方案，即使用實時時鐘和負載開關(guān)。這種解決方案需要額外的集成電路，并且會降低可靠性。

開關(guān)控制器系統(tǒng)框圖

對此，存在一個新穎的解決方案，即使用開關(guān)控制器在必要時喚醒系統(tǒng)微控制器，并盡量減少待機模式下的功耗。設(shè)有可編程休眠時間的開關(guān)控制器，具備超低功耗、無軟件依賴性、尺寸小巧等優(yōu)點。

MAX16164是一款具有可編程休眠時間的納安級功耗開關(guān)控制器，可通過電阻或I2C總線進行編程。該器件在休眠狀態(tài)下功耗為30nA，在關(guān)斷模式下則僅為10nA。

納安級功耗開關(guān)控制器如何幫助節(jié)省電能并延長電池壽命？

設(shè)想一個電池供電型醫(yī)療設(shè)備，結(jié)構(gòu)如同上方的系統(tǒng)框圖，其功耗如下所示。

基于Cypress PSoC 6 CPU
平均活動功耗為4.7mA
占空比：0.1%

假設(shè)電池電壓始終一致，由微控制器負責開啟和關(guān)閉系統(tǒng)，且休眠模式實時時鐘功耗為7μA。

功耗：

CPU活動功耗 x CPU占空比 + CPU休眠功耗 x (1 - CPU占空比) = 4.7mA x 0.001 + 7μA x 0.999 = 4700nA + 7000nA = 11700nA。

如果使用MAX16164，該器件和系統(tǒng)的休眠功耗為30nA。

使用MAX16164時的功耗：

CPU活動功耗 x CPU占空比 + CS28休眠功耗 x (1 - CPU占空比) = 4.7mA x 0.001 + 30nA x 0.999 = 4700nA + 30nA = 4730nA。

因此，MAX16164與具有休眠模式的CPU相比，功耗比為4730/11700=40%。由此可得，使用MAX16164可將電池壽命延長60%。

此外，MAX16164采用微型WLP和小型μDFN封裝，以極小尺寸實現(xiàn)可靠、節(jié)能的優(yōu)勢。

總結(jié)

人們?nèi)找骊P(guān)注自身的生活方式，并且正探尋方法以更好地監(jiān)測并管理健康。如今，小巧、可靠且能長時間運行的醫(yī)療設(shè)備深受關(guān)注，其對于健康監(jiān)測至關(guān)重要。針對需持續(xù)監(jiān)測健康狀態(tài)跡象的可穿戴醫(yī)療設(shè)備，使用納安級功耗MAX16164開關(guān)控制器將能夠延長電池壽命。

審核編輯：郭婷