電源技術助力全民移動醫(yī)療

全民醫(yī)療保健是近期最重要的政府、社會和經(jīng)濟問題之一。關注點主要集中在給未投保的人提供醫(yī)療保險，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。那么，該如何提供服務？很明顯，解決方案在于技術，具體來說在于智能手機、平板電腦和生物醫(yī)藥傳感器。

　　到目前為止，市場上已有40，000多個醫(yī)療應用程序—而這僅僅是開始。2011年，醫(yī)療應用程序下載次數(shù)達到1.24億次，到2012年該數(shù)據(jù)幾乎翻番，達到2.47億。健康和健身傳感器的復合年均增長率預計超過37%（圖1）。

　　圖1：全球移動感應健康和健身傳感器出貨量 （2012年~2017年）。

　　移動平臺上的應用程序和生物傳感器現(xiàn)在能夠監(jiān)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、聽診、心律、超聲診斷、皮膚應力、化學藥品及其他許多方面。通過在手機上連接更多先進的儀器，可以提供任何數(shù)量的診斷程序。

　　然而，獲得新的移動醫(yī)療檢測和處理功能需付出相應代價—功耗。手機的核心是先進的應用處理器，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，電池使用壽命也會受到更大考驗。對于在移動平臺上運行的電池供電遠程醫(yī)療系統(tǒng)而言，這個問題尤為突出（圖2）。

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

　　能夠長時間獲取讀數(shù)通常是醫(yī)學遙測的關鍵方面。當重要保健與電池使用壽命相關時，電池使用壽命就成為了一個重要的關注點。那么，典型移動電源能否跟上處理器的改進步伐？許多情況下，可能都跟不上（圖3）。

　　圖3：需求呈指數(shù)增長，但是電池能量密度成算數(shù)增長。

　　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（以能量密度來衡量）僅以線性速率提高，比處理器性能的指數(shù)增長速率慢得多。這就產(chǎn)生了功率差距，這對于需要較長電池壽命的醫(yī)療應用而言是不受歡迎的。

　　大多數(shù)用戶需要每天給手機充電，但這對許多醫(yī)療應用程序來說還不夠。常見移動醫(yī)療診斷，例如心電動態(tài)監(jiān)測儀（即移動心電圖），每次充電后必須運行一整天、數(shù)天甚至數(shù)周。因此，移動醫(yī)療設計必須抓住一切機會來降低功耗和增強當前移動平臺的供電配置。

　　可充電單節(jié)鋰離子電池具有充足的IC來提供2.5V~4.2V的電壓范圍，因此是大多數(shù)移動設計的常見起點平臺。但是，它們對許多醫(yī)療設備來說可能不實用。隨著如今手機和平板電腦上采用的顯示技術普遍朝著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(xiàn)在變得相當普遍。即使這樣，還是幾乎每天都必須充電，因為隨著電池變大，耗電量的功能也越來越多（亦或反之）。不管怎樣，醫(yī)療手持設備和傳感器的用戶群與消費類手機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”定義為一種通過使用不可逆化學反應產(chǎn)生電勢的電池。根據(jù)定義，該電池無法進行充電。原電池是您在商店購買的老式電池，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，這些電池在無負載條件下可以存放很長時間，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間內(nèi)穩(wěn)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，而無需進行DC/DC調(diào)節(jié)。

　　由于在電池耗盡時需要人工將電池插入設備，因此可能會插錯電池。反向電池的負電勢對多數(shù)IC和微處理器有害。因此，必須提供反極性保護。最簡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電池壽命的應用中是不可接受的。可以使用P溝道FET，但可能無法實現(xiàn)真正的負電壓阻斷。需要進行反向阻斷時，通常需要串聯(lián)兩個FET體二極管以相反結(jié)構(gòu)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(qū)動以及應用時序。

　　為了解決反向極性保護問題，飛兆推出了一個IC系列，該系列產(chǎn)品能夠像肖特基二極管一樣進行阻斷，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，F(xiàn)R014H5JZ在20兆歐以內(nèi)的功率預算中幾乎可以忽略不計。這種簡單而高效的器件可以取代多種器件，同時仍可延長電池使用壽命。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可以使用智能負載開關來斷開不需要的高泄漏負載或暴露連接器。這在高可靠性醫(yī)療應用中非常常見。各種樣式的 Intellimax系列產(chǎn)品都內(nèi)置數(shù)字開/關控制、浪涌電流保護、反向電流阻斷、溫度保護和過流保護。如果負載電勢高于源極電勢，即使只是在短暫時間內(nèi)，反向電流阻斷功能將會很有用。底部具有焊球的晶圓級芯片規(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?？梢允褂煤唵蔚腜溝道 FET，但如果需要任何其他保護，特別是開關遠在上游以至多次下游停電導致故障時，則P-FET周圍需要其他組件來調(diào)整遷移至智能負載開關。

　　移動電源，特別是用于醫(yī)療應用的移動電源可能會變得更為混雜，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關將變得更有價值。要獲得較長的電池壽命，關鍵在于使源電勢與負載要求相符，同時限制任何所需的DC/DC調(diào)節(jié)。

　　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(yī)療應用）。生物醫(yī)療傳感器、醫(yī)療應用程序及云與移動平臺、社會倫理與公共政策相互交織，共同推動移動醫(yī)療硬件設備的廣闊市場。硬件工程師和IC提供商的任務是確保這些平臺能夠上電并保持上電狀態(tài)。