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智能可穿戴医疗设备是如何收集能量的

  智能可穿戴设备的核心架构取决于产品类型,但基本上由一个微控制器、MEMS 传感器、无线连接电路、电池和支持性电子组件组成。

  总体医疗电子市场在 2015 年的估值约为 30 亿美元,并预期将以 5.4% 的年复合增长率持续成长,到 2022 年达到 44.1 亿美元的市场规模。[信息来源:Marketsandmarkets.com]。那么,认为以下因素是推动这种发展的一些主要动力就不足为奇了,即:不断上升的人口老龄化和日趋增多的生活方式疾病;对于个性化、易用型和先进保健装置日益攀升的需求;以及可穿戴式医疗电子产品使用率的不断提高。

  与此同时,由于长时间地让患者在医院的病床上治疗和康复所产生的费用在经济上逐渐变得难以为继,对于医疗机构自身和患者而言都是如此。因此,医院正在寻找减少这些费用负担的方法,在不会影响患者完全康复的情况下,让患者尽快获得良好和自主性。实现此目标的一种方法是用远程监测和诊断设备解放患者,这样他们就可以回到自己的家中休养了。

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  这些远程病患监测功能通常包括心率、血压、呼吸率、睡眠呼吸暂停、血糖水平和体温。因此,这对“刺激便携式和无线医疗仪表增长的现实走向之一是门诊治疗”的假设提供了支持。结果,许多此类便携式电子监测系统必须内置 RF 发送器,这样从患者监测系统收集的任何数据都能容易地直接发送回医院内的监控系统,主治医师稍后即可在此进行检查和分析。

  低功率精准型组件促成了便携式和无线医疗仪器的快速成长。然而,与许多其他应用不同的是,此类医疗产品对于可靠性、工作时间和坚固性通常有着高得多的标准。该负担的大部分落在了电源系统及其组件身上。医疗产品必须正确地工作,并且在交流电源插座、备份电池、甚至收集的环境能量源等多种电源之间无缝地切换。此外,必须竭尽全力地提供针对各种不同故障情况的保护及耐受能力,尽量地延长依靠电池供电时的工作时间,并确保每当接入了某种有效电源时正常的系统操作是可靠的。

  鉴于上述情形,这是合理认为“给患者提供合适家用医疗仪表的花销远远不及出于相同目的而让患者住院治疗所支付之费用”。不过,至关重要的是:患者使用的设备不仅必需可靠,而且还要为患者提供防护!因此,这类产品的制造商和设计师必须确保它们能够依靠多种电源 (包括备份能源) 无缝地运行,从患者身上收集的数据具有高可靠性,并实现 99.999% 的无线数据传输完整性。这要求系统设计师确保即将采用的电源管理架构不仅具备坚固性和灵活性,而且还必需紧凑和高效。这样,医院和患者的需求相互得到了满足。

  幸运的是,凌力尔特等多家模拟公司致力于通过推出创新型产品来提供针对上述问题的解决方案。由于医疗电子系统中有很多应用即使在交流电源中断的情况下也需要连续运行功率,因此一项关键的要求是实现低静态电流以延长电池寿命。相应地,备用静态电流小于 9mA 的开关稳压器常常是用户所需要的。事实上,有些依靠电池与能量收集之组合作为其主电源供电运行的新型系统,要求其静态电流为个位数的微安级,或者在某些场合中甚至是纳安级。这是在此类“居家使用型”患者医疗电子系统中得到采纳所必需满足的先决条件。

  尽管开关稳压器产生的噪声高于线性稳压器,但是它们的效率水平要比后者好得多。只要开关电源以可预知的方式运行,噪声和 EMI 水平在许多敏感应用中被证明是易控制的。如果开关稳压器在正常模式中以恒定频率执行开关操作,而且开关边沿是干净和可预知的 (没有过冲或高频振铃),则 EMI 得到了最大限度的抑制。小的封装尺寸和高工作频率能够提供小巧紧凑的布局,这极大地降低了 EMI 辐射。此外,假如稳压器可使用低 ESR 陶瓷电容器,则能尽量地减小输入和输出电压纹波,这些纹波是系统中的额外噪声源。

  当今多功能患者监测医疗装置中的电源轨数目有所增加,而工作电压则持续地下降。虽然如此,许多此类系统仍然要求 3V、3.3V 或 3.6V 电源轨以为低功率传感器、存储器、微控制器内核、I/O 和逻辑电路供电。此外,由于它们的运作有时是生死攸关的,所以其中很多都配有一个电池备份系统以防装置的主电源发生故障。

  传统上,它们的电压轨一直是由降压型开关稳压器或低压差稳压器提供。然而,此类 IC 并未利用电池的全工作范围,因而缩短了装置的潜在电池运行时间。于是,当采用降压-升压型转换器 (其能提升电压或降低电压) 时,它将使电池的全工作范围能得到利用。这增加了操作裕量并延长了电池运行时间,因为更多的电池寿命是可用的,尤其当它接近其放电曲线的低端时。


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