電源管理對便攜式裝置有多重要

引言

全球范圍內有很高比例的成人需要定期監(jiān)測個人生命體征(即血糖、血壓、血氧飽和度)。自然而然地，我們看到對便攜式醫(yī)療裝置的需求越來越旺盛，這種醫(yī)療裝置可實現(xiàn)上述任務，甚至集成更多功能。而且這種趨勢不會停止。

體積、重量、可靠性、安全性以及功耗是設計現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置的關鍵因素。現(xiàn)在典型的便攜式醫(yī)療裝置一般需要多種宏模塊：處理電源的電源管理電路，無論是一次性還是可充電電池;模擬前端(AFE)，用于將傳感器的信號調制并轉換為數(shù)字信號;微控制器，用于對采集信號執(zhí)行數(shù)學計算，在集成LCD屏幕上顯示信息，或者將數(shù)據(jù)發(fā)送至有線/無線裝置。實現(xiàn)所有這些功能一般需要使用不同的分離式器件。

高效的電源管理對這些便攜式裝置至關重要。本文介紹一款單片低功耗片上系統(tǒng)(SoC)，既適合用于使用一次性電池(紐扣電池或堿性電池)的便攜式醫(yī)療裝置，又適合用于使用可充電電池供電的醫(yī)療裝置。我們還將討論第二款設計，其中可增加電源管理IC (PMIC)，以支持附加裝置功能。

在介紹這兩種方案之前，我們需要首先了解典型的分立式設計。然后討論轉向集成式方案、在不影響功率預算的情況下提高性能所帶來的好處。我們也研究節(jié)省空間、最大化功率利用、利用 USB連接提高安全性的新型集成電路。我們也將了解一下將現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置連接至智能電話是多么簡單，以及如何擴展應用范圍和使用看起來無限的數(shù)據(jù)。

分立式方案的復雜性、成本和空間

我們的討論首先從簡單回顧分立式電源方案的典型功能方框圖開始(圖1)。電池管理電路包括電池隔離器、電池充電器、電量計、背光照明電源以及線性/開關穩(wěn)壓器。AFE通常要求ADC、DAC、運放、比較器、模擬開關和電壓基準。使用如此多的分立式器件會潛在影響系統(tǒng)可靠性，同時也毫無疑問地增加成本和電路板空間。

圖1. 便攜式醫(yī)療設備中使用眾多分立式元件的基本電源方案方框圖。

集成式方案具有較高性能

現(xiàn)在，有一種新型雙芯片集成式方案，包括微控制器SoC和PMIC，提高總體性能(圖2)。我們接下來將介紹SOC和PMIC。

圖2. 使用MAX32600微控制器SoC和PMIC的集成式方案簡化設計并提高性能。

安全的醫(yī)療微控制器SoC

MAX32600微控制器SoC (圖3)基于Cortex

M3核心，具有高性能模擬前端(AFE)，集成先進的安全信賴保護，不同于競爭對手的電源方案。有線和無線通信接口為用戶將醫(yī)療裝置連接至其它便攜式主機，例如PDA或智能手機，提供了多種選擇。

圖3. 高度集成的微控制器SoC優(yōu)化用于便攜式醫(yī)療設備，具有AFE和信賴保護單元的高安全性。有線外設提高了系統(tǒng)靈活性，多種電源管理模式節(jié)省功耗。

AFE管理模擬功能

AFE核包括一個SAR ADC，ADC具有500ksps高采樣率和16位分辨率，在輸入信號帶寬受限的情況下，能夠通過過采樣和平均方法提高分辨率。實際上，過采樣和平均法提高了SNR，從而獲得附加分辨率位數(shù)。對于每個附加分辨率位，必須以因子4對信號進行過采樣。

fOS= 4w × fS (式1)

式中：

w為相應附加分辨率位的數(shù)量

fS為相應的原始采樣頻率

fOS為過采樣頻率

ADC可配置為以一定間隔收集陣發(fā)數(shù)據(jù);通過存儲器直接訪問(DMA)將數(shù)據(jù)保存至SRAM;然后喚醒處理器。ADC的接口提供可編程陣發(fā)采樣率(TS獨立于TS_avg)以及可編程平均陣發(fā)長度(2、4、8、16、32、64、128)。

通過可配置的單端/差分多路復用器，可以選擇輸入信號類型。ADC前端為差分放大器，具有可編程增益：1、2和4。基準電壓可設置為1.0V、1.5V、2.0V和2.5V，將動態(tài)范圍最大化。四個具有比較器模式的不限特定用途運放和四個SPST開關可用于附加信號調理。

兩個12位DAC、兩個8位DAC、一個附加電壓基準(與前一個相同，也可編程)、一個溫度傳感器(可使用內部或外部PN結)以及用于驅動LED的可編程流入電流源進一步完善模擬設計。

插值濾波器(1:2、1:4和1:8)(圖4)可用于12位DAC和8位DAC，以提高動態(tài)性能、降低總線帶寬。

圖4. 插值濾波器提高DAC的動態(tài)性能

可以將DAC碼型的開始與ADC采樣同步，有利于使用數(shù)字波形合成和同步電路(用于相干波形發(fā)生和ADC數(shù)據(jù)捕獲)測量阻抗(圖5)。

圖5. 用于阻抗測量的信號處理方框圖。

信賴保護單元提供必不可少的安全性

嵌入式安全對于保護醫(yī)療裝置的數(shù)據(jù)完整性至關重要。閃存和SRAM可利用內部電池備份存儲器中的密鑰進行加密，從而保護SoC固件。通過嵌入式加密電路提供器件安全認證，適合于對稱和非對稱加密方法。

關于嵌入式安全、加密、私鑰和公鑰的著作有很多，此處不再贅述。我們想強調的是MAX32600支持AES加密和ECDSA安全認證1。觸發(fā)集成式動態(tài)篡改檢測器時，系統(tǒng)的公鑰和私鑰將被銷毀。系統(tǒng)的FIPS認證偽隨機數(shù)發(fā)生器可經(jīng)受和防止安全攻擊。使用獨立的內部異步環(huán)形振蕩器防止定時攻擊。

低功耗至關重要

多種集成方法節(jié)省功耗。SoC采用低至2.2V的電壓工作，對于使用一次性電池供電的便攜式醫(yī)療裝置，這是一項非常大的好處。嵌入式內核在24MHz時的工作電流為175µA/MHz，具有使能實時時鐘(RTC)的1.8µA低功耗模式，具有多種節(jié)省功耗的電源管理模式。關斷處于非工作狀態(tài)外設的選項甚至可節(jié)省更多功耗。

6通道DMA控制器支持外設在微控制器處于休眠模式時工作。在這種方式下，ADC可設置為掃描輸入通道、捕獲數(shù)據(jù)，只在需要處理時喚醒內核。

有線外設增加接口靈活性

嵌入式外設提供實現(xiàn)便攜式醫(yī)療裝置所需的全部功能。帶有物理接口(PHY)的USB2.0全速控制器允許直接連接USB電纜，降低電路板空間和總體系統(tǒng)成本。集成電壓調節(jié)器支持在連接至USB主機時在主電源和VBUS之間智能切換。該功能對于VDD電源為電池的系統(tǒng)尤其有利。

多達三個SPI主機UART支持與多個外設從機進行同步通信，數(shù)據(jù)傳輸可達到高達24MHz。DMA具有發(fā)送和接收緩沖器。兩個I²C總線主機/從機接口支持與各種各樣支持I²C接口的外設進行通信。支持主機和從機協(xié)議。兩個同步/異步接收器/發(fā)送器(USART)端口支持全雙工異步或半雙工同步通信。

可選無線外設增加無外部線纜連通性

Bluetooth

v4.0低功耗從機覆蓋2.400GHz至2.4832 GHz RF頻率范圍，可用于連接人工胰腺應用中的血糖傳感器和胰島素泵。免費提供帶有醫(yī)療說明的源代碼：http://content.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/8425/t/do#Software%2FModels。

ISM四頻段收發(fā)器(315、433、868和915MHz)支持FFSK、FMSK、AFSK調制，以及多種帶有快速喚醒的休眠模式。

電源方案增加了可充電醫(yī)療裝置的安全性且節(jié)省空間

我們現(xiàn)在討論由外部可充電電源供電的便攜式醫(yī)療裝置。MAX14663PMIC (圖6) 集成鋰離子(Li+)開關充電器，是針對空間受限便攜式醫(yī)療裝置進行優(yōu)化的電源方案;與MAX32600微控制器SoC配合使用時，最大限度提高功率，節(jié)省寶貴的設計空間，以及增加附加功能。我們在上文中已經(jīng)介紹了MAX32600SoC，現(xiàn)在我們討論MAX14663的電池管理和USB連接功能。