如何有效降低醫療電子設備的功耗

便攜式醫療設備的設計人員正面臨著(zhù)一些獨特的挑戰。醫療照護領(lǐng)域對電子產(chǎn)品的審查控管相當嚴格，尤其在產(chǎn)品設計的壽命、使用周期、還有使用上的穩定性，皆有高規格的要求。此外，電子設備的設計用途，一旦與醫療設備相關(guān)時(shí)，就產(chǎn)生了非常重大的意義。

舉例來(lái)說(shuō)，低功耗為所有設計人員共同的追求目標，低功耗意味電池可以變得更小、更輕，藉以提高產(chǎn)品的可移植性；對于醫療設備來(lái)說(shuō)，可移植性的提高改善患者的生活質(zhì)量，且患者的生命更需直接仰賴(lài)電池的壽命。

在本文中，我們將說(shuō)明設計人員如何利用微控制器(MCU)進(jìn)行設計、并符合醫療設備的低功耗要求。

電壓和電池壽命

在低功耗應用中，微控制器的靜態(tài)功耗是很重要的選擇指標；一些具備高階處理技術(shù)的微控制器在休眠模式下消耗的電流可低于50 nA。為了適用于各種低功耗設計，微控制器必須能在廣泛的電源范圍下運作。例如，在使用堿性電池時(shí)，通常指定1.8 V的工作電壓，因為應用中通常使用兩顆終止電壓(end voltage)皆為0.9V的堿性電池。選擇可在廣泛電壓范圍下運作的微控制器，便可以延長(cháng)便攜式設備的使用年限。除了微控制器的工作電壓范圍表1：利用圖1中列出的部件及其表定的電流消耗值可得出醫療數據記錄器的電源預估值以外，設計人員也必須考慮整個(gè)系統的工作電壓范圍，包括微控制器內部的外圍。如果系統中的外圍非常耗電，那么光降低微控制器的功耗對系統總功耗則幾乎沒(méi)有什么影響。

圖1：在該醫療數據記錄器的應用中，微控制器的I/O接腳可以用于對EEPROM和傳感器供電

表1：利用圖1中列出的部件及其表定的電流消耗值可得出醫療數據記錄器的電源預估值

降低功耗的方法

外圍電源切換

針對便攜式嵌入式系統的功耗管理原則是讓微控制器能夠控制內部和外部外圍的功耗。設計便攜式醫療設備時(shí)，請先確定必需的工作模式或狀態(tài)，然后對設計進(jìn)行分解，以便剔除不需要的電路。從眾多不同的供貨商中選擇合適的微控制器可以幫助您省去多余的外部組件并降低成本。如前所述，可在廣泛電壓范圍下工作的微控制器將使您的系統設計變得更加彈性。

試著(zhù)以一個(gè)包含微控制器，用來(lái)紀錄數據的醫療監視器為例，說(shuō)明如何最大程度地降低整個(gè)系統的功耗：這個(gè)監視器包含了傳感器、EEPROM和電池(見(jiàn)圖 1)。在實(shí)際應用中，傳感器可以執行溫度、血氧濃度(oxygen saturatiON)、血壓、血糖濃度和許多項目的測量。該醫療設備將在幾個(gè)小時(shí)、或者更長(cháng)的時(shí)間內，持續監測病人的相關(guān)指數。在該范例中，微控制器每隔2秒讀取傳感器測得的數據并進(jìn)行換算、再將數據儲存到外部EEPROM中，然后等待傳感器輸出下一個(gè)讀數。如果不需要考慮功耗，當然可以一直對 EEPROM、傳感器及其偏壓電路(biascircuit)供電；然而，對便攜式醫療設備而言，有效率地使用電源是非常重要的。因此，為了有效降低這類(lèi)系統的功耗，設計人員往往在微控制器不需要這些外圍時(shí)透過(guò)程控關(guān)閉它們。

如圖1所示，設計人員可利用微控制器的I/O接腳和一些程序代碼，在需要時(shí)對EEPROM和傳感器供電。由于所選微控制器的I/O接腳最高可以提供20mA的電流，所以不需額外電源。

微控制器功耗管理模式

在嵌入式應用中常見(jiàn)的節省功耗方法為，當系統對微控制器的資源需求很低時(shí)，定時(shí)讓微控制器進(jìn)入休眠模式。在范例中，系統每隔2秒進(jìn)行一次測量；如果實(shí)際上需要11ms進(jìn)行測量和儲存結果，則MCU可在兩次測量之間休眠1.989ms。微控制器休眠的時(shí)間越長(cháng)，則平均功耗就越低。系統微控制器透過(guò)設定中斷或由看門(mén)狗定時(shí)器負責喚醒；因此，確保適合的看門(mén)狗定時(shí)器相當重要。通常，若應用需要微控制器每隔一段固定時(shí)間處理一次數據采樣，那么看門(mén)狗定時(shí)器應在所要求的時(shí)間周期內喚醒MCU；因此，選擇能和看門(mén)狗定時(shí)器周期配合的微控制器也很重要。

計算總平均功耗

設計人員透過(guò)電源預估技術(shù)(power budgeting)估算應用中可能的電流消耗和電池壽命。同樣以圖1為例，數據記錄器不斷經(jīng)歷各種模式諸如：休眠、傳感器預熱、檢測、數據換算和儲存。分析處理回路將協(xié)助設計人員確定單個(gè)周期中各種模式所占用的時(shí)間。然后，再藉助廠(chǎng)商提供的組件數據，更可了解各款組件的電流消耗狀態(tài)。將各種模式下需要的總電流乘以該模式的持續時(shí)間，就可以得到該模式在每個(gè)周期中消耗的電荷量。

根據表1可知，數據記錄器的應用，在每個(gè)周期約為2000ms，需要的總電荷量為18.8 e-6安培*秒。根據表1的數據，可以推算出平均電流為0.009mA，如下：

平均電流(mA)=總電荷量(安培*秒)/總時(shí)間(秒)=18.8 e-6/2000 e-3 = 0.009 mA峰值電流=2.048 mA結論：

透過(guò)MCU的選擇，設計人員能成功的管理醫療電子設備、進(jìn)而降低功耗；功耗的降低在使用產(chǎn)品時(shí)能有效減少熱能產(chǎn)生，并且縮小電池尺寸，進(jìn)而延長(cháng)設備的使用年限、增加設備的可靠度、提高患者的配合度，并縮小整體設備的尺寸。