電源技術(shù)助力全民移動(dòng)醫(yī)療

 全民醫(yī)療保健是近期最重要的政府、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題之一。關(guān)注點(diǎn)主要集中在給未投保的人提供醫(yī)療保險(xiǎn)，這也意味著向位置偏僻且缺醫(yī)少藥的人群提供醫(yī)療服務(wù)。那么，該如何提供服務(wù)?很明顯，解決方案在于技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)在于智能手機(jī)、平板電腦和生物醫(yī)藥傳感器。

到目前為止，市場(chǎng)上已有40,000多個(gè)醫(yī)療應(yīng)用程序—而這僅僅是開(kāi)始。2011年，醫(yī)療應(yīng)用程序下載次數(shù)達(dá)到1.24億次，到2012年該數(shù)據(jù)幾乎翻番，達(dá)到2.47億。健康和健身傳感器的復(fù)合年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)超過(guò)37%(圖1)。

圖1：全球移動(dòng)感應(yīng)健康和健身傳感器出貨量 (2012年~2017年)。

移動(dòng)平臺(tái)上的應(yīng)用程序和生物傳感器現(xiàn)在能夠監(jiān)測(cè)睡眠、飲食、妊娠、處方管理、情緒、血壓、血糖水平、花粉水平、峰流、聽(tīng)診、心律、超聲診斷、皮膚應(yīng)力、化學(xué)藥品及其他許多方面。通過(guò)在手機(jī)上連接更多先進(jìn)的儀器，可以提供任何數(shù)量的診斷程序。

然而，獲得新的移動(dòng)醫(yī)療檢測(cè)和處理功能需付出相應(yīng)代價(jià)—功耗。手機(jī)的核心是先進(jìn)的應(yīng)用處理器，其速度和處理能力每年都在提高。但是，處理器每次更新?lián)Q代，電池使用壽命也會(huì)受到更大考驗(yàn)。對(duì)于在移動(dòng)平臺(tái)上運(yùn)行的電池供電遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)而言，這個(gè)問(wèn)題尤為突出(圖2)。

圖2：多核、64位總線和進(jìn)程遷移驅(qū)動(dòng)指數(shù)處理器的能力提高。

能夠長(zhǎng)時(shí)間獲取讀數(shù)通常是醫(yī)學(xué)遙測(cè)的關(guān)鍵方面。當(dāng)重要保健與電池使用壽命相關(guān)時(shí)，電池使用壽命就成為了一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)。那么，典型移動(dòng)電源能否跟上處理器的改進(jìn)步伐?許多情況下，可能都跟不上(圖3)。

圖3：需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，但是電池能量密度成算數(shù)增長(zhǎng)。

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盡管電池性能一直不斷提高，但是速度跟不上由其供電的處理器。電池性能(以能量密度來(lái)衡量)僅以線性速率提高，比處理器性能的指數(shù)增長(zhǎng)速率慢得多。這就產(chǎn)生了功率差距，這對(duì)于需要較長(zhǎng)電池壽命的醫(yī)療應(yīng)用而言是不受歡迎的。

大多數(shù)用戶需要每天給手機(jī)充電，但這對(duì)許多醫(yī)療應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)還不夠。常見(jiàn)移動(dòng)醫(yī)療診斷，例如心電動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀(即移動(dòng)心電圖)，每次充電后必須運(yùn)行一整天、數(shù)天甚至數(shù)周。因此，移動(dòng)醫(yī)療設(shè)計(jì)必須抓住一切機(jī)會(huì)來(lái)降低功耗和增強(qiáng)當(dāng)前移動(dòng)平臺(tái)的供電配置。

可充電單節(jié)鋰離子電池具有充足的IC來(lái)提供2.5V~4.2V的電壓范圍，因此是大多數(shù)移動(dòng)設(shè)計(jì)的常見(jiàn)起點(diǎn)平臺(tái)。但是，它們對(duì)許多醫(yī)療設(shè)備來(lái)說(shuō)可能不實(shí)用。隨著如今手機(jī)和平板電腦上采用的顯示技術(shù)普遍朝著更大更明亮的方向發(fā)展，導(dǎo)致相應(yīng)功耗不斷增加，電池尺寸不斷增大。3000mAh電池現(xiàn)在變得相當(dāng)普遍。即使這樣，還是幾乎每天都必須充電，因?yàn)殡S著電池變大，耗電量的功能也越來(lái)越多(亦或反之)。不管怎樣，醫(yī)療手持設(shè)備和傳感器的用戶群與消費(fèi)類手機(jī)和平板電腦的用戶群截然不同，故而可以迅速排除使用需要每天充電的集成式可充電電池的可行性。因此，如果需要更長(zhǎng)的使用壽命，那么如何能夠提供呢?

這正是原電池發(fā)揮作用的地方。“原電池”定義為一種通過(guò)使用不可逆化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)的電池。根據(jù)定義，該電池?zé)o法進(jìn)行充電。原電池是您在商店購(gòu)買的老式電池，用到電量耗盡后就扔掉。原電池的優(yōu)勢(shì)在于，它們的儲(chǔ)電量通常大于可充電電池并且保存時(shí)間更久。原電池具有多種外形，但手持式或穿戴式應(yīng)用的常用電源為1.5V柱狀電池(例如五號(hào)、六號(hào)等)或3V鈕扣電池。眾所周知，這些電池在無(wú)負(fù)載條件下可以存放很長(zhǎng)時(shí)間，并且更換成本相對(duì)較低。典型的1.5V堿性電池設(shè)計(jì)為具有0.9V Vmin，但通常會(huì)串聯(lián)在一起，以使輸出電壓范圍翻一倍或兩倍。CR2032鋰離子電池等鈕扣電池則可以在其預(yù)期壽命的大部分時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定提供3V輸出電壓(取決于負(fù)載瞬態(tài)輪廓)。由于這種有用的3V電勢(shì)，紐扣電池通常以并聯(lián)方式嵌裝以處理較大的負(fù)載瞬態(tài)，并直接連接微處理器接口，而無(wú)需進(jìn)行DC/DC調(diào)節(jié)。

由于在電池耗盡時(shí)需要人工將電池插入設(shè)備，因此可能會(huì)插錯(cuò)電池。反向電池的負(fù)電勢(shì)對(duì)多數(shù)IC和微處理器有害。因此，必須提供反極性保護(hù)。最簡(jiǎn)單的保護(hù)形式是肖特基阻隔二極管，但壓降和相應(yīng)的效率損失在需要較長(zhǎng)電池壽命的應(yīng)用中是不可接受的?？梢允褂肞溝道FET，但可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的負(fù)電壓阻斷。需要進(jìn)行反向阻斷時(shí)，通常需要串聯(lián)兩個(gè)FET體二極管以相反結(jié)構(gòu)方向擺放。對(duì)于各種電池配置，還需要考慮這些MOSFET的合適柵極驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用時(shí)序。

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為了解決反向極性保護(hù)問(wèn)題，飛兆推出了一個(gè)IC系列，該系列產(chǎn)品能夠像肖特基二極管一樣進(jìn)行阻斷，但信號(hào)傳遞效率相當(dāng)于MOSFET的效率。FR014H5JZ是此系列中的高端保護(hù)器件，具有-30V阻斷能力和+32V正向傳遞能力。正確插入電池時(shí)，F(xiàn)R014H5JZ在20兆歐以內(nèi)的功率預(yù)算中幾乎可以忽略不計(jì)。這種簡(jiǎn)單而高效的器件可以取代多種器件，同時(shí)仍可延長(zhǎng)電池使用壽命。圖4顯示了此反向極性保護(hù)器件的配置。

圖4：FR014H5JZ經(jīng)典原理圖。

在所有電池電源設(shè)計(jì)中，發(fā)展電源路徑的下游時(shí)可以使用智能負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)不需要的高泄漏負(fù)載或暴露連接器。這在高可靠性醫(yī)療應(yīng)用中非常常見(jiàn)。各種樣式的Intellimax系列產(chǎn)品都內(nèi)置數(shù)字開(kāi)/關(guān)控制、浪涌電流保護(hù)、反向電流阻斷、溫度保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。如果負(fù)載電勢(shì)高于源極電勢(shì)，即使只是在短暫時(shí)間內(nèi)，反向電流阻斷功能將會(huì)很有用。底部具有焊球的晶圓級(jí)芯片規(guī)模封裝和小至0.8mm×0.8mm的幾何形狀有助于優(yōu)化電路板空間?？梢允褂煤?jiǎn)單的P溝道FET，但如果需要任何其他保護(hù)，特別是開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)在上游以至多次下游停電導(dǎo)致故障時(shí)，則P-FET周圍需要其他組件來(lái)調(diào)整遷移至智能負(fù)載開(kāi)關(guān)。

移動(dòng)電源，特別是用于醫(yī)療應(yīng)用的移動(dòng)電源可能會(huì)變得更為混雜，將可充電電池和板載原電池搭配使用以及可能實(shí)施低功耗能量采集。在這種情況下，反向極性保護(hù)器件和智能負(fù)載開(kāi)關(guān)將變得更有價(jià)值。要獲得較長(zhǎng)的電池壽命，關(guān)鍵在于使源電勢(shì)與負(fù)載要求相符，同時(shí)限制任何所需的DC/DC調(diào)節(jié)。

很明顯，智能手機(jī)和平板電腦將具有諸多優(yōu)勢(shì)，能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其當(dāng)前使用模式(包括遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用)。生物醫(yī)療傳感器、醫(yī)療應(yīng)用程序及云與移動(dòng)平臺(tái)、社會(huì)倫理與公共政策相互交織，共同推動(dòng)移動(dòng)醫(yī)療硬件設(shè)備的廣闊市場(chǎng)。硬件工程師和IC提供商的任務(wù)是確保這些平臺(tái)能夠上電并保持上電狀態(tài)。