可穿戴医疗设备需要先进的电源管理

得益于超便携式可穿戴监测设备在市场的普及，数字健康正在经历一场革命。这些设备能够帮助长期和慢性疾病患者在日常生活中进行健康监测，从而比以往任何时候都可以更加方便地提供高水平护理。然而，为这些设备提供长时间供电，但又不能使用大体积电池，这给设计师带来了极大挑战。

与大多数“技术”设备一样，每一代可穿戴设备都比上一代产品具有更多的功能和特性。由于更多的功能需要更多的功率，这通常会加剧对电源的挑战。在可穿戴设备中，不可能增大电池的尺寸，因为这会增加设备的整体尺寸和重量，对所有用户都不方便，而且可能使佩戴设备的老年患者或婴儿承受更大的负担。同样不能接受的是缩短两次电池充电的间隔时间，因而余下的唯一选择是找到更智能的方法来管理设备使用的电源。

可穿戴医疗设备尽管体积很小，但却是功能完整的一个系统，包含了所有基本元素。典型的可穿戴医疗设备包括：

·微控制器单元（MCU），用于运行代码/固件，并管理和处理数据。

·能够提供电力并使设备正常工作的可充电电池

·用于收集待监测物理参数数据的传感器，这可能是心率监测器（pulse meter）或葡萄糖监测仪，也可能是加速度计或陀螺仪等通用传感器

·无线通信接口，这通常是一种常见的低功耗协议，如蓝牙®低功耗（BLE）或近场通信（NFC）

·安全保证，通常是结合硬件和软件技术，将所有数据传输加密，并防止恶意干扰固件

所有的医疗监测设备都有特定的用途，即便是一个监测生命体征参数的通用健身带也是如此。监测设备的用途决定了要选择何种MCU和传感器，尤其是测量精度、可靠性和重复性等参数。单次电池充电后可以保持的监测时间长度也会影响组件选择，在某些情况下，需要采用超低功耗器件。MCU是系统的核心，集成了包括传感器和其他组件在内的所有外围元件。在许多情况下，系统在体系架构上通常将外围设备分组或分域设计，有些域或组在不需要时可以断电。例如，系统仅在传输数据时才需要射频部分，或者某个特定传感器可能每分钟只读取一次数据，可以在中间未工作期间断电。

近年来电池技术得到了一定发展，原有的电池化学物质得到了改进，新的化学物质也在不断开发。在可穿戴设备中最常见的电池类型是锂离子电池，一个单元可产生3.2V到4V的电压。虽然锂离子聚合物（Lipo）电池已经用于某些可穿戴产品，但由于锂离子电池具有较高的存储容量和环境相对友好的特点，因而仍是首选电池。

然而，无论电池技术如何发展，其物理定律仍然适用。锂离子电池的存储容量与其物理尺寸之间存在着很强的关联，在大多数空间受限的设计（如可穿戴式）中，由于电池尺寸限制，为设备提供长时间供电的能量相对较少。为了改善这种状况，人们正在继续研究新的材料和技术。多项研究表明，石墨烯有可能大幅度提高单位体积电池的容量。另一种技术是超级电容器，这种途径近来受益于纳米技术的发展。

为了设计一个现代可穿戴设备，设计师们正在选择尽可能低功耗的MCU。目前，被认为最先进的MCU在工作时消耗的电流明显小于1mA，而在睡眠模式下只消耗几个nA的电流。除了自身的攻耗外，由于MCU还需要控制外围设备的能源供应，因此它在系统整体功耗中起着至关重要的作用，目标是确保不浪费任何宝贵的电池容量。

Maxim Integrated（美信）的MAX32660 MCU在性能和效率之间达到完美平衡，使其成为可穿戴设备设计的理想选择。该MCU基于32位ARM®Cortex®M4内核，包括一个浮点单元（FPU）处理器，以及用于传感器和其他设备的外围管理功能。MAX32660可以控制外部存储设备，允许开发和运行高级处理算法。在功耗方面，该器件在业界处于领先地位，每MHz时钟速度只需要50μW的功率。在物理尺寸方面，该器件采用为1.6mm x 1.6mm WLP封装，使其能够轻松地集成在空间受限的可穿戴设备。

图1：MAX32660功能框图。（来源：Maxim Integrated）

另一家为医疗可穿戴设备提供多种超低功耗32位MCU的供应商是Microchip，该公司的SAM系列包括基于ARM®Cortex®-M0+技术的小型SAM D MCU，基于PIC32MX XLP的高性能MCU，以及SAM L系列超低功耗器件。在休眠模式下，这些高能效器件仅需200nA电流，而在活动模式下，所需的电流小于35µA/MHz。这些器件虽然体积小，能耗低，但却功能丰富，包括有LCD端口、运算放大器、实时时钟和mTouch感测，以及USB和直接内存访问（DMA）接口等。

Silicon Labs的 EFM32 Giant Gecko ARM Cortex-M3是另一款面向医用可穿戴设备的32位MCU。这些器件包括有自主的低能耗外围设备，例如用于增强安全性的AES加密、一个用于通信的UART、一个低功率传感器接口和集成运算放大器。

图2：EFM32 功能框图（来源：Silicon Labs）

在医疗应用中，由于患者可能会忘记给电池定期充电，这意味着可能无法对患者进行监测，因而电池技术是一个很大挑战。在某些情况下，可能会让护理者承担充电的责任，但这为医疗系统增加了进一步负担。出于这些原因，医疗行业对于采用基于电池的医疗监控设备进展缓慢，这使得制造商们开始为可穿戴设备供电寻找其他替代方案。

能量收集技术不依赖于储存在电池中的能量，而是通过利用来自太阳的光或热量，或者佩戴可穿戴设备患者活动时的运动来产生电力。只要有足够的光/热/运动，通过这种方式就能够提供无限的能量来源，可以让可穿戴设备无限制地运行，而没有中断的风险。

平均每人每天以热量或者运动的方式消耗107J的能量，这意味着只要热量/运动可以转化为电能，就有足够的能量为小型可穿戴设备提供电能

将热量转化为电能的原理是塞贝克效应（Seebeck effect），如果两点之间具有温差即可产生电压。在可穿戴设备的情况下，这可以是患者（热端）和周围环境（冷端）的差异。用于这种转换的技术是一种基于半导体的珀耳帖电池（Peltier cell），它能够每周7天，每天24小时提供不间断的能量，而不像太阳能光伏那样，在室内不能很好地运行，在夜间则完全不能工作。

当病人运动时，他们也可产生能量，这种机械运动可以通过使用压电元件转换成电能，压电元件对于每一个动作（如行走或运动）都会产生一个小电流。Wurth Electronics的能量收集解决方案即用开发工具包为开发人员提供了一种在能量收集领域设计起步的简单方法。

可穿戴设备通常含有一个板载DC/DC转换器，即使电源存在某种波动，也能够确保向系统所有设备提供的电压恒定。先进的DC/DC转换器通常由MCU控制，能够管理设备中的所有能量，从而尽可能高效地使用这些能量，同时也包括DC/DC转换器本身不消耗太多的电能。

Linear Technology的LTC3107是一款高集成度DC/DC转换器解决方案，该器件特别针对能量收集机制而设计，本身非常节省能源。通过结合使用来自热源的能量收集和电池能量，可显著延长可穿戴设备的电池寿命，从而降低与更换电池相关的成本和不便。

图3：LTC3107 典型应用电路。（来源：Linear Technology）

可穿戴医疗设备未来将继续提供更多功能，同时体积变得更小，需要创新的电源管理解决方案。虽然更高效地使用电池能量是一种显而易见的方法，但是，借助于先进DC/DC转换器的良好管理，能量收集技术也可以提供许多好处，其中包括更高的便利性。