電源技術(shù)助力全民移動(dòng)醫療

全民醫療保健是近期最重要的政府、社會(huì )和經(jīng)濟問(wèn)題之一。關(guān)注點(diǎn)主要集中在給未投保的人提供醫療保險，這也意味著(zhù)向位置偏僻且缺醫少藥的人群提供醫療服務(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、平板電腦和生物醫藥傳感器。

　　到目前為止，市場(chǎng)上已有40，000多個(gè)醫療應用程序—而這僅僅是開(kāi)始。2011年，醫療應用程序下載次數達到1.24億次，到2012年該數據幾乎翻番，達到2.47億。健康和健身傳感器的復合年均增長(cháng)率預計超過(guò)37%（圖1）。

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

　　移動(dòng)平臺上的應用程序和生物傳感器現在能夠監測睡眠、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、皮膚應力、化學(xué)藥品及其他許多方面。通過(guò)在手機上連接更多先進(jìn)的儀器，可以提供任何數量的診斷程序。

　　然而，獲得新的移動(dòng)醫療檢測和處理功能需付出相應代價(jià)—功耗。手機的核心是先進(jìn)的應用處理器，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。對于在移動(dòng)平臺上運行的電池供電遠程醫療系統而言，這個(gè)問(wèn)題尤為突出（圖2）。

　　圖2：多核、64位總線(xiàn)和進(jìn)程遷移驅動(dòng)指數處理器的能力提高。

　　能夠長(cháng)時(shí)間獲取讀數通常是醫學(xué)遙測的關(guān)鍵方面。當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：需求呈指數增長(cháng)，但是電池能量密度成算數增長(cháng)。

　　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(xiàn)性速率提高，比處理器性能的指數增長(cháng)速率慢得多。這就產(chǎn)生了功率差距，這對于需要較長(cháng)電池壽命的醫療應用而言是不受歡迎的。

　　大多數用戶(hù)需要每天給手機充電，但這對許多醫療應用程序來(lái)說(shuō)還不夠。常見(jiàn)移動(dòng)醫療診斷，例如心電動(dòng)態(tài)監測儀（即移動(dòng)心電圖），每次充電后必須運行一整天、數天甚至數周。因此，移動(dòng)醫療設計必須抓住一切機會(huì )來(lái)降低功耗和增強當前移動(dòng)平臺的供電配置。

　　可充電單節鋰離子電池具有充足的IC來(lái)提供2.5V~4.2V的電壓范圍，因此是大多數移動(dòng)設計的常見(jiàn)起點(diǎn)平臺。但是，它們對許多醫療設備來(lái)說(shuō)可能不實(shí)用。隨著(zhù)如今手機和平板電腦上采用的顯示技術(shù)普遍朝著(zhù)更大更明亮的方向發(fā)展，導致相應功耗不斷增加，電池尺寸不斷增大。3000mAh電池現在變得相當普遍。即使這樣，還是幾乎每天都必須充電，因為隨著(zhù)電池變大，耗電量的功能也越來(lái)越多（亦或反之）。不管怎樣，醫療手持設備和傳感器的用戶(hù)群與消費類(lèi)手機和平板電腦的用戶(hù)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(cháng)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?！霸姵亍倍x為一種通過(guò)使用不可逆化學(xué)反應產(chǎn)生電勢的電池。根據定義，該電池無(wú)法進(jìn)行充電。原電池是您在商店購買(mǎi)的老式電池，用到電量耗盡后就扔掉。原電池的優(yōu)勢在于，它們的儲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用的常用電源為 1.5V柱狀電池（例如五號、六號等）或3V鈕扣電池。眾所周知，這些電池在無(wú)負載條件下可以存放很長(cháng)時(shí)間，并且更換成本相對較低。典型的1.5V堿性電池設計為具有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期壽命的大部分時(shí)間內穩定提供3V輸出電壓 （取決于負載瞬態(tài)輪廓）。由于這種有用的3V電勢，紐扣電池通常以并聯(lián)方式嵌裝以處理較大的負載瞬態(tài)，并直接連接微處理器接口，而無(wú)需進(jìn)行DC/DC調節。

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

　　為了解決反向極性保護問(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，但信號傳遞效率相當于MOSFET的效率。 FR014H5JZ是此系列中的高端保護器件，具有-30V阻斷能力和+32V正向傳遞能力。正確插入電池時(shí)，FR014H5JZ在20兆歐以?xún)鹊墓β暑A算中幾乎可以忽略不計。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(cháng)電池使用壽命。圖4顯示了此反向極性保護器件的配置。

　　圖4：FR014H5JZ經(jīng)典原理圖。

　　在所有電池電源設計中，發(fā)展電源路徑的下游時(shí)可以使用智能負載開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)不需要的高泄漏負載或暴露連接器。這在高可靠性醫療應用中非常常見(jiàn)。各種樣式的 Intellimax系列產(chǎn)品都內置數字開(kāi)/關(guān)控制、浪涌電流保護、反向電流阻斷、溫度保護和過(guò)流保護。如果負載電勢高于源極電勢，即使只是在短暫時(shí)間內，反向電流阻斷功能將會(huì )很有用。底部具有焊球的晶圓級芯片規模封裝和小至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，特別是開(kāi)關(guān)遠在上游以至多次下游停電導致故障時(shí)，則P-FET周?chē)枰渌M件來(lái)調整遷移至智能負載開(kāi)關(guān)。

　　移動(dòng)電源，特別是用于醫療應用的移動(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，反向極性保護器件和智能負載開(kāi)關(guān)將變得更有價(jià)值。要獲得較長(cháng)的電池壽命，關(guān)鍵在于使源電勢與負載要求相符，同時(shí)限制任何所需的DC/DC調節。

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