可穿戴醫(yī)療設(shè)備通過持續(xù)記錄和傳輸患者的健康狀況來改變醫(yī)療保健行業(yè)。它們必須暢通無阻，并且依靠小型一次性電池持續(xù)數(shù)天。該設(shè)計(jì)解決方案回顧了可穿戴醫(yī)療貼片典型電源管理解決方案的缺點(diǎn)，并引入了一種滿足指定工作壽命的新型高效率、低靜態(tài)升壓轉(zhuǎn)換器。

介紹

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 將患者置于醫(yī)療保健系統(tǒng)的中心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生命體征，從而實(shí)現(xiàn)更好的健身、疾病預(yù)防和及時(shí)的醫(yī)療干預(yù)?？纱┐髟O(shè)備集成了傳感器，以監(jiān)測(cè)心率、呼吸、溫度、步數(shù)、睡眠周期、壓力水平以及用戶是否跌倒或喪失行為能力。這些設(shè)備通過低功耗藍(lán)牙無線鏈路將生命體征傳輸?shù)交荆缓髲哪抢飩鬏數(shù)皆贫?，患者和醫(yī)生可以在其中訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該設(shè)計(jì)解決方案回顧了為放置在患者胸部的可穿戴醫(yī)療貼片供電的挑戰(zhàn)，以及使用單個(gè)一次性鋅空氣電池運(yùn)行 5 天的能力。由典型升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)的電池電壓無法滿足器件工作時(shí)間要求。當(dāng)由高效率、低靜態(tài)升壓轉(zhuǎn)換器供電時(shí)，同一器件滿足并超過了五天工作要求。?

典型的可穿戴醫(yī)療貼片系統(tǒng)

圖2顯示了一個(gè)典型的醫(yī)療貼片框圖。一次性鋅空氣電池提供高達(dá) 160mAh 的電量，通過 DC-DC 升壓穩(wěn)壓器為車載控制器、傳感器和無線電供電。

圖2.典型的醫(yī)用可穿戴設(shè)備補(bǔ)丁框圖。

在一個(gè)例子中，各種傳感器收集數(shù)據(jù)4秒，然后由無線電以100ms突發(fā)傳輸?shù)郊惺?a target="_blank">接收器。 在檢測(cè)模式下，升壓轉(zhuǎn)換器負(fù)載50μA的電流，而在傳輸模式下，它提供48mA電流以支持無線電電流脈沖。升壓轉(zhuǎn)換器負(fù)載曲線如圖3所示。

圖3.可穿戴醫(yī)療貼片電流曲線。

在一個(gè)典型的醫(yī)療可穿戴貼片應(yīng)用中，系統(tǒng)必須僅使用一個(gè)一次性鋅空氣電池即可持續(xù) 5 天。典型的升壓穩(wěn)壓器具有 10μA 的靜態(tài)電流、85% 的峰值效率以及低電流時(shí)的效率和 81% 的效率。假設(shè)1.4V輸入和3.3V輸出電壓，我們可以計(jì)算從電池汲取的平均電流如下：

1372μA的平均電流將導(dǎo)致電池?zé)o法運(yùn)行5天（160mAh/1.372mA = 117小時(shí)）。

挑戰(zhàn)

對(duì)于任何穩(wěn)壓器來說，用小尺寸PCB實(shí)現(xiàn)高效率和低靜態(tài)電流都是一個(gè)挑戰(zhàn)。增加穩(wěn)壓器的工作頻率將減小無源器件的尺寸，但會(huì)增加損耗，從而降低其效率。將穩(wěn)壓器的輸入工作范圍降至幾分之一伏至關(guān)重要，因?yàn)殡姵仉妷涸诠ぷ髌陂g持續(xù)下降。

隨著可穿戴應(yīng)用的激增，需要多種定制版本的穩(wěn)壓器，特別是在輸入/輸出電壓和電流規(guī)格方面。因此，醫(yī)療可穿戴貼片制造商可能被迫維護(hù)不同調(diào)節(jié)器以及支持它們所需的無源器件的大量且昂貴的庫(kù)存。

最先進(jìn)的解決方案

例如，MAX17224毫微功耗同步升壓轉(zhuǎn)換器具有極高的效率、400mV至5.5V輸入范圍、1A峰值電感電流限值以及可通過單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)1%電阻選擇的輸出電壓。新穎的真關(guān)斷?模式可產(chǎn)生納安級(jí)的漏電流，使其成為真正的毫微功耗器件。

靜態(tài)電流優(yōu)勢(shì)

參考圖4，輸入靜態(tài)電流（I秦） 的 IC 為 0.5nA （啟動(dòng)后使能開路）和輸出靜態(tài)電流 （I庫(kù)特） 為 300nA。

圖4.具有較低關(guān)斷和靜態(tài)電流的升壓轉(zhuǎn)換器。

為了計(jì)算總輸入靜態(tài)電流，需要額外的輸入電流來饋送輸出電流（IQOUT_IN） 必須添加到 I秦.由于輸出功率與輸入功率的關(guān)系與效率（P外= PIN x ？），因此：

我QOUT_IN= I庫(kù)特x （V外/V在)/η

如果 V在= 1.4V， V外= 3.3V，效率 ？= 88% 在低電流下，我們有：

我QOUT_IN= 300nA x （3.3/1.4）/0.88 = 803.5nA

將803.5nA與0.5nA的輸入電流相加，得到804nA的總輸入靜態(tài)電流（I清特).該靜態(tài)電流比典型升壓穩(wěn)壓器的10μA低12倍，如前例所述。

效率優(yōu)勢(shì)

升壓轉(zhuǎn)換器 IC 具有低 R德森，板載動(dòng)力總成 MOSFET 晶體管，即使在足夠高的頻率下工作，也能產(chǎn)生出色的效率，以保證較小的整體 PCB 尺寸（圖 5）。

圖5.高效率升壓轉(zhuǎn)換器，具有低導(dǎo)通電阻、板載動(dòng)力總成 MOSFET 晶體管。

升壓轉(zhuǎn)換器在峰值電流下的效率為 92.5%，靜態(tài)電流為 0.8μA，可穿戴醫(yī)療貼片可以滿足并超過所需的 5 天工作時(shí)間（見表 1）。

表 1.兩個(gè)穩(wěn)壓器的電池壽命比較

啟用瞬態(tài)保護(hù)模式

該 IC 包括一個(gè)使能瞬態(tài)保護(hù) （ETP） 模式選項(xiàng)。當(dāng)存在上拉電阻時(shí)，由輸出電容供電的額外片內(nèi)電路可確保EN在輸入端發(fā)生短暫瞬態(tài)干擾時(shí)保持高電平。在這種情況下，上面計(jì)算的靜態(tài)電流增加了幾十納安。

物料清單優(yōu)勢(shì)和智能 V外選擇

MAX17224省去了用于設(shè)置輸出電壓值的傳統(tǒng)電阻分壓器，取而代之的是單輸出選擇電阻（RSEL），如圖 4 所示。該芯片使用專有方案來讀取RSEL僅在啟動(dòng)時(shí)消耗高達(dá) 200μA 的值。單個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻器設(shè)置 33 種不同輸出電壓之一，在 1.8V 和 5V 之間以 100mV 的增量相隔。結(jié)果是BOM略有減少（少了一個(gè)電阻），簡(jiǎn)化了庫(kù)存（一個(gè)穩(wěn)壓器用于多種應(yīng)用），并降低了靜態(tài)電流。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)與低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議相結(jié)合，通過可穿戴設(shè)備能夠連續(xù)和實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)患者的生命體征。我們回顧了使用小型一次性160mAh鋅空氣電池為可穿戴醫(yī)療貼片供電的挑戰(zhàn)。調(diào)節(jié)電池電壓的典型升壓轉(zhuǎn)換器無法滿足可穿戴設(shè)備的五天工作要求。另一方面，高效率、低靜態(tài)升壓轉(zhuǎn)換器可以滿足并超過五天運(yùn)行的要求。

審核編輯：郭婷