醫(yī)療電子技術(shù)降低醫(yī)療保健成本

便攜式醫(yī)療電子技術(shù)的發(fā)展使醫(yī)療保健成本得以降低。電池供電的非植入性(Non-invasive)傳感器具有移動(dòng)性，加上板上存儲(chǔ)器，就能夠捕獲針對(duì)某種病癥的完整數(shù)據(jù)模式。由于IC技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些器件的尺寸越來(lái)越小、持續(xù)工作時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，因此更容易在該領(lǐng)域中獲得采用。

病人離開(kāi)醫(yī)院之后，生活往往恢復(fù)正常。平日里他們應(yīng)該遵照醫(yī)生囑咐呵護(hù)好自己的身體，比如放松心情，提高心率，加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)等等?？墒菬o(wú)論什么情況，人們總有遇上極限的時(shí)候。一個(gè)簡(jiǎn)單的病患監(jiān)控設(shè)備可以是一個(gè)讓病患和醫(yī)療服務(wù)提供者雙贏的解決方案，其不但能減少病患到醫(yī)院看病的次數(shù)，還能大大提高每次就醫(yī)看病的價(jià)值。

僅僅在數(shù)年前，傳感器的尺寸還太大，不適用于晝夜連續(xù)監(jiān)控；但隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，其尺寸縮小，單組電池工作時(shí)間不斷延長(zhǎng)。血糖監(jiān)測(cè)儀和注射器屬于最初的成功應(yīng)用案例，最新的進(jìn)展是閉環(huán)測(cè)試以及胰島素管理設(shè)備。這些設(shè)備現(xiàn)已成為I類糖尿病病患每天全日使用的設(shè)備，但這種概念應(yīng)該不限于糖尿病患。

過(guò)去5年中，小型電池技術(shù)基本變化不大。而電源設(shè)計(jì)的技巧和IC 技術(shù)的進(jìn)步，卻直接使得這些傳感器工作壽命延長(zhǎng)。這些借助手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)得到實(shí)現(xiàn)的進(jìn)步包括：USB充電、高效DC/DC調(diào)節(jié)器、I/O 標(biāo)準(zhǔn) (I2C、SPI、SDIO等)的采用，以及顯示技術(shù)的改進(jìn)等等。

在醫(yī)療保健行業(yè)，最重要的問(wèn)題之一是產(chǎn)品何時(shí)能夠面向病患供貨。項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期一般都非常漫長(zhǎng)，常?？缭綌?shù)年之久。雖然并非所有的時(shí)間都用在電氣設(shè)計(jì)階段，但很多時(shí)候電氣設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)往往是公司內(nèi)部團(tuán)隊(duì)中規(guī)模較小的，而化學(xué)、法律和測(cè)試團(tuán)隊(duì)都要大得多。電子產(chǎn)品的一大關(guān)鍵趨勢(shì)是縮短上市時(shí)間，同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)。所有便攜式產(chǎn)品都需要某種形式的電源，一般是以原電池或可充電電池供電。電池的功率必須經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)以滿足下游復(fù)雜傳感器所需，這種設(shè)計(jì)可以延長(zhǎng)電池的壽命，并使功能集獨(dú)立使用。

過(guò)去，這種功率調(diào)節(jié)模塊消耗資源和實(shí)際工作功率，占用板上面積。而如今，對(duì)于DC/DC應(yīng)用，一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)PWM周圍放置多個(gè)MOSFET的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返，不再需要眾多無(wú)源器件來(lái)增加最低程度的保護(hù)了。我們現(xiàn)在談?wù)摰氖沁^(guò)去5年來(lái)不斷得到采用的集成式DC/DC 降壓 IC。目前，電子行業(yè)正在快速發(fā)展，包括積極開(kāi)發(fā)單芯片電源模塊。這些器件與功率更高的電信行業(yè)中的DC/DC模塊不同，是可經(jīng)由大量銷售渠道供貨、帶專門部件編號(hào)的真正模塑封裝IC。

DC/DC模塊集成化，提高效率并降低風(fēng)險(xiǎn)
飛兆半導(dǎo)體的FAN4603 uModule就是這樣的一款I(lǐng)C。其原理見(jiàn)圖1所示。

圖1 飛兆半導(dǎo)體的FAN4603 uModule

集成有FET的基本控制器與輸入/輸出電容以及DC/DC降壓拓?fù)渌璧拈_(kāi)關(guān)電感共同封裝在單個(gè)模塊中。其前期優(yōu)勢(shì)十分明顯，比如：尺寸減小，庫(kù)存部件只有一個(gè)，設(shè)計(jì)周期相應(yīng)縮短。此外，還有一些技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)。

由于單一模塊中所有有源部件是如此的接近，大電流和高頻路徑得以縮短，從而可降低EMI，而對(duì)于需要復(fù)雜傳感器和人體接口的醫(yī)療設(shè)備行業(yè)來(lái)說(shuō)，低EMI是一個(gè)至關(guān)重要的規(guī)范。將這款模塊的降壓拓?fù)溟_(kāi)關(guān)頻率提高至6MHz，就能夠集成層疊式電感。由于開(kāi)關(guān)頻率的提高，電感尺寸得以減小。因?yàn)檫@些電感和電容等無(wú)源組件是由實(shí)際PWM和FET設(shè)計(jì)人員所選擇，各項(xiàng)指標(biāo)均經(jīng)過(guò)細(xì)調(diào)，在建議的負(fù)載范圍內(nèi)具有理想的互操作性。

這種調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)是模塊的輸出電壓固定，然而可變輸出電壓又會(huì)導(dǎo)致無(wú)源元件的匹配不平衡。因而，可以提供具有一定輸出電壓的不同模塊來(lái)解決問(wèn)題。首先推出的模塊的輸出電壓為1.8V，Vin為2.3～5.5V。這一電壓范圍是單一可充電電池、AA和AAA雙電池盒，以及單一3V鋰離子電池的理想選擇。[!--empirenews.page--]

由便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)需求所推動(dòng)的電子行業(yè)的另一項(xiàng)重要進(jìn)步是，功率模塊在不同負(fù)載上的效率得以提升。醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備常常處于休眠狀態(tài)，當(dāng)傳感器未加偏壓和不采集實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)，僅消耗極少的功率。在這段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)Icc可降至10mA以下。在這些輕負(fù)載和中等負(fù)載狀態(tài)下，可使用PFM技術(shù)以最大限度地減小模塊內(nèi)部的損耗。圖2所示為FAN4603的典型效率曲線

圖2 FAN4603的典型效率曲線

請(qǐng)注意其額定效率范圍為70%～85%，具體取決于輸入電壓，在對(duì)數(shù)X軸上僅為1mA。當(dāng)應(yīng)用范圍為10mA～200mA之間時(shí)，如數(shù)據(jù)采集或與基站進(jìn)行RF通信期間，這一曲線對(duì)于電池壽命是至關(guān)重要的。

下游智能FET技術(shù)簡(jiǎn)化功率分配
為了更好地將功率模塊的能量分配到下游傳感器、處理器和LCD，使用負(fù)載點(diǎn)功率開(kāi)關(guān)正在業(yè)界變得流行。使用簡(jiǎn)單的P溝道FET來(lái)傳輸功率本身并不新奇。FET周圍環(huán)繞著眾多二極管和晶體管以增加功能，比如負(fù)載放電、浪涌電流限制和反向電流阻隔(reverse current blocking, RCB)，這是其中的一部分功能。顯而易見(jiàn)，發(fā)展趨勢(shì)是轉(zhuǎn)向真正的智能FET，其可在單個(gè)IC中集成這些功能。飛兆半導(dǎo)體提供的IntellimaxTM系列產(chǎn)品是可供設(shè)計(jì)人員可以選擇的智能FET系列之一，其突出特性是集成了所有下述功能，過(guò)壓保護(hù)(OVP)、過(guò)流保護(hù)(OCP)、RCB、壓擺率控制(slew rate control)，以及用于通知處理器出現(xiàn)故障的錯(cuò)誤標(biāo)記。圖3 所示為一個(gè)典型的IntelliMAX 器件的內(nèi)部示意圖及所采用的封裝。

圖3典型的IntelliMAX 器件的內(nèi)部示意圖及封裝

醫(yī)療應(yīng)用的一大優(yōu)勢(shì)是可以在不使用時(shí)限制外部傳感器以及連接器的功率。當(dāng)傳感器或連接器的功率超出推薦級(jí)別時(shí)，智能FET能夠隔離電源，并向處理器發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)記。這就增加了終端應(yīng)用的可靠性，減少其現(xiàn)場(chǎng)故障頻率，最終降低總體系統(tǒng)成本。

信號(hào)路徑技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能和互操作性
除了先前討論過(guò)的DC/DC效率大幅提升之外，通用小信號(hào)技術(shù)亦有進(jìn)步，為醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用帶來(lái)更多價(jià)值。模擬開(kāi)關(guān)是非常普通的IC產(chǎn)品，以往用途有限，主要用于多路復(fù)用或隔離低速數(shù)據(jù)線?，F(xiàn)在開(kāi)關(guān)中集成的新功能可以實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)通阻抗和平坦度、斷電保護(hù)、更高的數(shù)據(jù)率，以及低得多的功耗。了解這些功能及其不同優(yōu)勢(shì)，是充分發(fā)揮醫(yī)療設(shè)備功用的關(guān)鍵所在。

過(guò)去，導(dǎo)通阻抗只是一個(gè)靜態(tài)數(shù)值，而更新的Ron平坦度參數(shù)則可以確保Ron數(shù)值在給定條件下處于一定的范圍內(nèi)。其可以用于需要400mΩ 以下Ron水平的醫(yī)療設(shè)備中的校準(zhǔn)和傳感器多路復(fù)用等，較以前的8Ω水平有大幅提升。傳感器的補(bǔ)充功能有最近推出的斷電保護(hù)功能，當(dāng)Vcc=0V時(shí)會(huì)顯示輸入信號(hào)，這種功能對(duì)連接器和傳感器的熱插撥應(yīng)用十分有益?，F(xiàn)在實(shí)際工作電流非常低，即使控制電壓低于Vcc，測(cè)得的數(shù)據(jù)也以μA (微安)計(jì)。輸入至輸出泄漏則小至以nA (納安)計(jì)，從而能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命。在當(dāng)前醫(yī)療設(shè)備升級(jí)至更新的功能集時(shí)，通常使用這些模擬開(kāi)關(guān)和固有的增添功能來(lái)增加互連即可，無(wú)須替換DSP和進(jìn)行大量的重新校準(zhǔn)工作。