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),，常常跨越數(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(mén)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 FAN4603 uModule原理圖
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6 MHz，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2.3V至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。
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%至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和200mA之間時(shí),，例如數(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IntelliMAX 器件內(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u(píng)A (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)需替換DSP和進(jìn)行大量的重新校準(zhǔn)工作。
對(duì)醫(yī)療保健的影響
隨著IC技術(shù)的不斷進(jìn)步,，各種功能組合越來(lái)越容易集成在醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)中,。由于IC尺寸的大幅縮小，功能集成的潛力無(wú)限,。把心率,、血氧、血糖和溫度監(jiān)控功能全部集成在單個(gè)傳感器模塊中的一類設(shè)備很快就會(huì)面市,，這種設(shè)備可以利用無(wú)線方式或以一天一次插入U(xiǎn)SB端口顯示完整的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),。相比在醫(yī)院采集的單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這種設(shè)備能夠提供更多的數(shù)據(jù),，有利于醫(yī)生給出更準(zhǔn)確的診斷,。
這一切的關(guān)鍵在于通過(guò)集成來(lái)實(shí)現(xiàn)透明化。假如這些醫(yī)生指定的微型尺寸粘附式傳感器不會(huì)構(gòu)成不舒服的感覺(jué),，卻又仍然功能強(qiáng)大,，能夠與智能電話同步，病患便會(huì)更愿意采用,。在通過(guò)使用現(xiàn)有技術(shù)和手機(jī)技術(shù)最新標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),，便攜式醫(yī)療電子技術(shù)本身也將不斷發(fā)展，為病人和整個(gè)醫(yī)保系統(tǒng)提供更多價(jià)值,。