背景

總體醫療電子市場在 2015 年的估值約為 30 億美元，并預期將以 5.4% 的年復合增長率持續成長，到 2022 年達到44.1 億美元的市場規模。[信息來源：Marketsandmarkets.com]。那么，認為以下因素是推動這種發展的一些主要動力就不足為奇了，即：不斷上升的人口老齡化和日趨增多的生活方式疾病；對于個性化、易用型和先進保健裝置日益攀升的需求；以及可穿戴式醫療電子產品使用率的不斷提高。

與此同時，由于長時間地讓患者在醫院的病床上治療和康復所產生的費用在經濟上逐漸變得難以為繼，對于醫療機構自身和患者而言都是如此。因此，醫院正在尋找減少這些費用負擔的方法，在不會影響患者完全康復的情況下，讓患者盡快獲得良好和自主性。實現此目標的一種方法是用遠程監測和診斷設備解放患者，這樣他們就可以回到自己的家中休養了。這些遠程病患監測功能通常包括心率、血壓、呼吸率、睡眠呼吸暫停、血糖水平和體溫。因此，這對 “刺激便攜式和無線醫療儀表增長的現實走向之一是門診治療” 的假設提供了支持。結果，許多此類便攜式電子監測系統必須內置 RF 發送器，這樣從患者監測系統收集的任何數據都能容易地直接發送回醫院內的監控系統，主治醫師稍后即可在此進行檢查和分析。

低功率精準型組件促成了便攜式和無線醫療儀器的快速成長。然而，與許多其他應用不同的是，此類醫療產品對于可靠性、工作時間和堅固性通常有著高得多的標準。該負擔的大部分落在了電源系統及其組件身上。醫療產品必須正確地工作，并且在交流電源插座、備份電池、甚至收集的環境能量源等多種電源之間無縫地切換。此外，必須竭盡全力地提供針對各種不同故障情況的保護及耐受能力，盡量地延長依靠電池供電時的工作時間，并確保每當接入了某種有效電源時正常的系統操作是可靠的。

適用于患者監測系統的潛在解決方案

鑒于上述情形，這是合理認為“給患者提供合適家用醫療儀表的花銷遠遠不及出于相同目的而讓患者住院治療所支付之費用”。不過，至關重要的是：患者使用的設備不僅必需可靠，而且還要為患者提供防護！因此，這類產品的制造商和設計師必須確保它們能夠依靠多種電源 (包括備份能源)無縫地運行，從患者身上收集的數據具有高可靠性，并實現 99.999% 的無線數據傳輸完整性。這要求系統設計師確保即將采用的電源管理架構不僅具備堅固性和靈活性，而且還必需緊湊和高效。這樣，醫院和患者的需求相互得到了滿足。

幸運的是，凌力爾特等多家模擬公司致力于通過推出創新型產品來提供針對上述問題的解決方案。由于醫療電子系統中有很多應用即使在交流電源中斷的情況下也需要連續運行功率，因此一項關鍵的要求是實現低靜態電流以延長電池壽命。相應地，備用靜態電流小于 9mA的開關穩壓器常常是用戶所需要的。事實上，有些依靠電池與能量收集之組合作為其主電源供電運行的新型系統，要求其靜態電流為個位數的微安級，或者在某些場合中甚至是納安級。這是在此類 “居家使用型” 患者醫療電子系統中得到采納所必需滿足的先決條件。

盡管開關穩壓器產生的噪聲高于線性穩壓器，但是它們的效率水平要比后者好得多。只要開關電源以可預知的方式運行，噪聲和 EMI 水平在許多敏感應用中被證明是易控制的。如果開關穩壓器在正常模式中以恒定頻率執行開關操作，而且開關邊沿是干凈和可預知的 (沒有過沖或高頻振鈴)，則 EMI 得到了最大限度的抑制。小的封裝尺寸和高工作頻率能夠提供小巧緊湊的布局，這極大地降低了 EMI 輻射。此外，假如穩壓器可使用低 ESR 陶瓷電容器，則能盡量地減小輸入和輸出電壓紋波，這些紋波是系統中的額外噪聲源。

當今多功能患者監測醫療裝置中的電源軌數目有所增加，而工作電壓則持續地下降。雖然如此，許多此類系統仍然要求 3V、3.3V或 3.6V 電源軌以為低功率傳感器、存儲器、微控制器內核、I/O 和邏輯電路供電。此外，由于它們的運作有時是生死攸關的，所以其中很多都配有一個電池備份系統以防裝置的主電源發生故障。

傳統上，它們的電壓軌一直是由降壓型開關穩壓器或低壓差穩壓器提供。然而，此類 IC 并未利用電池的全工作范圍，因而縮短了裝置的潛在電池運行時間。于是，當采用降壓-升壓型轉換器(其能提升電壓或降低電壓) 時，它將使電池的全工作范圍能得到利用。這增加了操作裕量并延長了電池運行時間，因為更多的電池壽命是可用的，尤其當它接近其放電曲線的低端時。

作為一種電源的能量收集

最近，在能量收集領域涌現了大量的創新成果；特別是采用人類自身的體熱作為給電子監測系統供電或對為這些系統供電的電池進行再充電的一種潛在能量源。這類技術進步實現了醫療電子組件尺寸和形狀的改變，以適應毫瓦和 / 或微瓦功率范圍。這意味著許多復雜的電子系統和裝置 (例如：可穿戴式醫療和自主設備) 如今的功率消耗可大約低于 250μW。

而且，功率級別處在數μW至數百 mW范圍內的無線傳感器網絡通常采用電池電源工作。不過，由于電池電源內在局限性 (例如：電荷的貯存壽命，以及適用情況下進行定期再充電的需要) 的原因，采用熱量或振動等環境能量源來完成 “可再充電” 電池定期再充電的可能性已經展現在世人面前。現在，該是介紹的時候了。

凌力爾特制造能量收集 IC 幾乎已有 10 年的時間；推出的首款產品是 2009 年 12 月面市的LTC3108。LTC3108 是一款超低電壓DC/DC 轉換器和電源管理器，專為收集和分配剩余能量而特別設計，可從熱源產生極低的電壓。這可以是從 “熱” 到 “更熱” 或從 “冷” 到 “更冷”，因為唯一需要的是 1°C或更大的溫度梯度。

然而，更近期推出的產品是 LTC3107，它是一款高度集成的 DC/DC 轉換器，專為通過收集和管理來自 TEG (熱電發生器)和熱電堆等極低輸入電壓電源的剩余能量來延長低功率無線系統中的主電池之壽命而設計。

采用LTC3107 后，一個負載點能量收集器只占用極小的空間，只要能夠容納 LTC3107 的3mm x 3mm DFN 封裝和幾個外部組件即可。通過產生一個跟蹤現有主電池之電壓的輸出電壓，可無縫地采用 LTC3107以把免費熱能收集的成本節約帶到新的和現有的電池供電型設計中。此外，LTC3107 還能與一個小的熱能量源一起延長電池壽命 (在有些場合中可長達電池的保質期)，從而降低與電池更換有關且重復發生的維護成本。LTC3107 專為增強電池或甚至完全為負載供電而設計，這取決于負載情況和可用的收集能量。圖 1 示出了LTC3107 能怎樣容易地收集熱能以為無線傳感器節點 (WSN) 供電，并在環境能量源不可用時無縫地切換至電池電源。

圖 1：LTC3107 收集熱能以為一個 WSN 供電和 / 或給一個電池充電

此外，LTC3331是一款多功能環境能量收集器，其形成了完整的能量收集調節解決方案，當可收集能量可用時，提供高達 50mA 的連續輸出電流以延長電池壽命，見圖 2。當用收集的能量向負載提供穩定功率時，該器件不需要電池提供電源電流，而在無負載情況下用電池供電時，僅需要950nA 的工作電流。LTC3331集成了一個高電壓能量收集電源和一個同步降壓-升壓型DC/DC 轉換器 (該轉換器由可再充電主電池供電)，以為WSN 和物聯網 (IoT) 設備等能量收集應用提供一個不間斷輸出。

圖 2：LTC3331 可轉換多種能量源，并能使用一個可再充電的主電池

LTC3331 的能量收集電源由一個適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉換器組成，從壓電 (AC) 、太陽能(DC) 或磁性組件 (AC)能源收集能量。一個 10mA 分路器用收集的能量實現簡便的電池充電，而低電量電池斷接功能則保護電池免于深度放電。可再充電電池給一個同步降壓-升壓型轉換器供電，該轉換器在 1.8V 至5.5V 的輸入范圍內工作，當收集的能量不可用時用來調節輸出，而不管輸入高于、低于或等于輸出。在應對微功率電源時，LTC3331 電池充電器擁有非常重要且不可忽視的電源管理功能。LTC3331 納入了對電池充電器的邏輯控制功能，以便僅在能量收集電源有多余的能量時才給電池充電。如果沒有這種邏輯控制功能，能量收集電源就會在啟動時卡在某個非最佳的工作點上，不能完成啟動，無法給目標應用供電。當收集的能源不再可用時，LTC3331 自動地轉換到電池。這帶來了一個額外的好處，即：如果適合的能量收集電源至少在一半的時間內可用，就允許電池供電的 WSN 將其工作壽命從10 年延長至超過 20年，假如環境能量源更加普遍存在，那么壽命甚至更長。

結論

智能型醫療可穿戴產品市場已蓄勢待發。在醫院病患照護的高成本和呈爆炸性增長的人口老齡化的共同影響下形成推動力。包括使用傳感器的醫療保健可穿戴設備在內的這新一波產品可監視關鍵生物統計信息，例如在醫院以外測量心率和血壓，這為采用更加積極、健康的生活方式創造了機會。智能可穿戴設備的核心架構取決于產品類型，但基本上由一個微控制器、MEMS 傳感器、無線連接電路、電池和支持性電子組件組成。

因此，擁有目前這波能夠利用多種形式的環境能量，以為人體健康監測裝置供電的多功能能量收集和/ 或IoT 解決方案，就可以在不影響患者完全康復的情況下，讓他們較快地返回自己的家中進行治療和休養。