可穿戴生物傳感器的線性充電器的方案

1.前言 

生物傳感器是監(jiān)測(cè)各種生物過(guò)程并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供醫(yī)生和研究人員處理和解釋的設(shè)備。今天有各種各樣的生物傳感器可用，從血糖監(jiān)測(cè)儀到水化學(xué)檢測(cè)儀，再到妊娠試驗(yàn)。隨著電子元件的小型化，醫(yī)用生物傳感器變得越來(lái)越小，下一個(gè)大趨勢(shì)是使它們可穿戴。作為可穿戴設(shè)備，當(dāng)便攜式傳感器以非侵入性方式收集數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)生時(shí)，患者將擁有最大的移動(dòng)性來(lái)開(kāi)展他們的生活。患者和醫(yī)生都同意，在醫(yī)院花費(fèi)的時(shí)間越少越好。

“可穿戴技術(shù)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從 2015 年的 200 億美元增長(zhǎng)到 2025 年的接近 700 億美元，由醫(yī)療保健部門領(lǐng)導(dǎo)”（來(lái)自國(guó)家生物技術(shù)信息中心）

嶄露頭角的可穿戴生物傳感器的廣度令人驚訝。很快就會(huì)有可以通過(guò)對(duì)身體提供輕微震動(dòng)來(lái)增加血流量來(lái)預(yù)防褥瘡的智能服裝，可以糾正異常步行模式的鞋子，通過(guò)呼吸模式和心臟活動(dòng)測(cè)量壓力的 T 恤，甚至可以監(jiān)測(cè)睡眠狀況的襪子。嬰兒的健康狀況并將更新發(fā)送到父母的智能手機(jī)。

2.可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備電源方案

當(dāng)今市場(chǎng)上的許多可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備都是完全一次性的或使用需要更換的電池。然而，由于它們與智能設(shè)備的連接，它們變得越來(lái)越耗電，一次性電池可能不夠用。這是改用可充電電池的主要原因。隨著設(shè)備不斷發(fā)展并過(guò)渡到可充電電池，這對(duì)于線性充電器來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。嵌入式可充電設(shè)計(jì)將使可穿戴生物傳感器盡可能緊湊和方便用戶。他們通常使用低容量電池，需要在充電周期中精確控制電流，以確保電池盡可能充滿電。

圖 1：與鉛筆尖相比，TI 最小的線性充電器

可穿戴設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于它們能夠全天候工作。對(duì)充電的侵入性、體積和持續(xù)需求越大，用戶佩戴它的可能性就越小。需要最少關(guān)注的薄型輕設(shè)備將在市場(chǎng)上更受歡迎。因此，對(duì)可最大限度延長(zhǎng)電池壽命和運(yùn)行時(shí)間的小型解決方案尺寸的需求是這些應(yīng)用中電池充電器的重要要求。圖 1 顯示了 bq25100，其整個(gè)解決方案尺寸為 2.1 mm x 2.2 mm；非常適合需要適合嬰兒腳的解決方案！

集成運(yùn)行系統(tǒng)所需的其他組件的能力還可以縮小您的解決方案尺寸并減少材料清單。DC/DC 轉(zhuǎn)換器等電源管理設(shè)備是與充電器集成的自然組件，因?yàn)樗鼈冃枰獮橄到y(tǒng)中的其他設(shè)備供電。圖 3 是溫度傳感貼片應(yīng)用的框圖示例。該貼片代替溫度計(jì)用于監(jiān)測(cè)兒童或病人的體溫，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能設(shè)備。該系統(tǒng)需要多個(gè)電源軌，從電池電壓降壓。bq25120A 將所需的這六個(gè)組件集成到一個(gè)設(shè)備中，以減小整體解決方案尺寸，使其能夠適應(yīng)狹小的空間。 

圖 2：鋰離子充電曲線 

充電電流的準(zhǔn)確性與每次充電循環(huán)之間恢復(fù)到電池中的容量有關(guān)。圖 2 中的 ITerm 指的是當(dāng)電池達(dá)到滿電壓時(shí)電流充電終止。以 1mA 終止充電可為電池恢復(fù)額外 5% 的容量，與以 4mA 終止充電相比，兩次充電之間的運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。Iq 或 IC 空載所需的電流也會(huì)影響設(shè)備的電池運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行電池充電器所需的電流越少，可用于運(yùn)行系統(tǒng)的電流就越多。bq25100 的漏電流僅為 75 nA，與電池單元的自放電率相比可以忽略不計(jì)。

電源路徑是充電器 IC 的另一個(gè)理想功能。它允許在為系統(tǒng)供電的同時(shí)為電池充電；這意味著您仍然可以在充電時(shí)使用您的可穿戴設(shè)備。將這些應(yīng)用程序與能量收集解決方案配對(duì)時(shí)，這是一個(gè)功能，允許在您仍然佩戴設(shè)備時(shí)充電，而不必將其移除以通過(guò)電線充電。

圖 3：溫度傳感貼片框圖

在為我們的下一個(gè)生物傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)考慮我們今天討論的線性充電問(wèn)題?？沙潆婋姵亍⒕o湊型設(shè)備、先進(jìn)的設(shè)備集成和電源路徑等特性都是關(guān)鍵特性。無(wú)論下一個(gè)可穿戴生物傳感器是監(jiān)測(cè)抑郁癥的帽子，還是幫助早產(chǎn)兒的連體衣，結(jié)合上面列出的功能，實(shí)現(xiàn)智能緊湊的設(shè)計(jì)。