【導(dǎo)讀】全球醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)正在不斷跨界融合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)等高科技，使醫(yī)療服務(wù)大步走向真正意義的智能，其中行走在醫(yī)療健康領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備也是發(fā)展熱點(diǎn)之一。根據(jù)透明市場(chǎng)研究公司（TMR）的報(bào)告顯示，到2026年，全球可穿戴醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將超過(guò)290億美元，未來(lái)幾年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將有望超過(guò)17%。
全球醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)正在不斷跨界融合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)等高科技，使醫(yī)療服務(wù)大步走向真正意義的智能，其中行走在醫(yī)療健康領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備也是發(fā)展熱點(diǎn)之一。根據(jù)透明市場(chǎng)研究公司（TMR）的報(bào)告顯示，到2026年，全球可穿戴醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將超過(guò)290億美元，未來(lái)幾年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將有望超過(guò)17%。
將醫(yī)療健康領(lǐng)域作為公司的五大核心目標(biāo)市場(chǎng)之一的ADI，公司就見(jiàn)證了該市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)，過(guò)去幾年中生命體征監(jiān)測(cè)成為所有地區(qū)增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)之一，該公司的重點(diǎn)應(yīng)用包括醫(yī)療影像、生命體征監(jiān)測(cè)、體外診斷及生命科學(xué)儀器等主要細(xì)分市場(chǎng)。10年前，生命體征監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用于醫(yī)院以及救護(hù)車(chē)和直升機(jī)等專(zhuān)業(yè)救助設(shè)備，最大的市場(chǎng)是床邊監(jiān)視器和重癥監(jiān)護(hù)病房的監(jiān)視器；現(xiàn)在，具有生命體征監(jiān)測(cè)功能的可穿戴設(shè)備使醫(yī)生能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控病人，實(shí)現(xiàn)以較少的專(zhuān)業(yè)人員監(jiān)控更多的人群。
電源設(shè)計(jì)，杜絕掉鏈子
可穿戴醫(yī)療健康市場(chǎng)對(duì)元器件的主要需求是超低功耗、高集成度和小尺寸等，ADI公司服務(wù)醫(yī)療市場(chǎng)幾十年，深刻的認(rèn)識(shí)到低功耗精密元器件是便攜式無(wú)線醫(yī)療設(shè)備得以迅速發(fā)展的關(guān)鍵。這些醫(yī)療級(jí)產(chǎn)品通常在可靠性、運(yùn)行時(shí)間和魯棒性方面有很高的標(biāo)準(zhǔn)，但其中大部分負(fù)擔(dān)都落在電源管理系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療監(jiān)測(cè)產(chǎn)品通常需要能在各種電源之間無(wú)縫切換，如電池、市電、超級(jí)電容器，甚至采集的環(huán)境能量。
對(duì)于醫(yī)療可穿戴設(shè)備的電力系統(tǒng)架構(gòu)師而言，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須受到保護(hù)，有時(shí)必須能夠容忍故障條件，以便在電池供電的情況下最大限度地延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)還必須確保只要存在有效的電源，系統(tǒng)的正常運(yùn)行都是可靠的。ADI的LTC4041就是一款這樣的電源解決方案，面向2.9V至5.5V電源軌的完整超級(jí)電容器后備電源管理系統(tǒng)，這類(lèi)電源軌在主電源出現(xiàn)故障時(shí)必須保持有效。超級(jí)電容器的功率密度高于電池，從而使其非常適合在短時(shí)間段內(nèi)需要高峰值備份功率的系統(tǒng)。
新型備用管理器電源解決方案
眾所周知，超級(jí)電容、電池和/或二者的組合可以用作幾乎所有電子系統(tǒng)的備用電源，那么有哪些解決方案可用呢？
首先，任何高可用系統(tǒng)解決方案都會(huì)需要一個(gè)完整的電池備用電源管理系統(tǒng)，其必須能夠在主電源發(fā)生故障時(shí)讓3.5V至5V電源軌保持供電。電池提供的能量比超級(jí)電容要多很多，因此需要備用電源長(zhǎng)時(shí)間供電的應(yīng)用使用電池更合適。相應(yīng)地，任何高可用系統(tǒng)解決方案都需要片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，以便對(duì)備用電池高效率充電；如果主電源軌發(fā)生中斷，它還能向下游負(fù)載提供高電流備用電源。因此，當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件將用作單節(jié)鋰離子或LiFePO4電池的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以?xún)?yōu)先權(quán)。然而，如果輸入電源突然降至可調(diào)電源失效輸入(PFI)閾值以下，該IC將需要充當(dāng)升壓調(diào)節(jié)器，以從備用電池向系統(tǒng)輸出提供幾安培的電流。因此，如果發(fā)生電源故障，該IC將需要執(zhí)行電源路徑控制，以提供反向阻斷并在輸入電源和備用電源之間無(wú)縫切換。
與電池類(lèi)似的是超級(jí)電容。但是，超級(jí)電容不支持主電源長(zhǎng)時(shí)掉電的場(chǎng)合，但它是需要高功率、短時(shí)間備用電源的系統(tǒng)的出色選擇。因此，任何支持此類(lèi)應(yīng)用的IC通常都需要能夠在主電源中斷期間支持2.9V至5.5V電源軌。眾所周知，超級(jí)電容的功率密度高于電池，這使其成為短時(shí)間內(nèi)需要高峰值功率備用電源的系統(tǒng)的理想選擇。
上文提到的LTC4041就使用了片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器，提供高效率的降壓超級(jí)電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件用作一個(gè)或兩個(gè)超級(jí)電容單元的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以?xún)?yōu)先權(quán)。當(dāng)輸入電源降至可調(diào)PFI閾值以下時(shí)，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級(jí)電容向系統(tǒng)負(fù)載提供最高2.5A的電流。在電源故障期間，該器件的PowerPath™控制功能提供反向阻斷以及從輸入電源到備用電源的無(wú)縫切換。LTC4041的典型應(yīng)用包括醫(yī)療設(shè)備、功率計(jì)、工業(yè)報(bào)警器、服務(wù)器和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中的緊急備用電源。圖1顯示了一個(gè)典型LTC4041應(yīng)用原理圖。
兩個(gè)堆疊串聯(lián)超級(jí)電容器的 LTC4041 超級(jí)電容器備份電源管理器
LTC4041有一個(gè)可選的OVP功能，使用外部FET來(lái)保護(hù)IC免受高于60V的輸入電壓的影響。內(nèi)部超級(jí)電容平衡電路使每個(gè)超級(jí)電容上的電壓保持相等，并將每個(gè)超級(jí)電容的最大電壓限制在預(yù)定值。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開(kāi)開(kāi)關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源失效指示器和系統(tǒng)電源失效指示器。
另外，對(duì)于有熱約束和空間約束的醫(yī)療系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，擁有一個(gè)緊湊高效的5v buck變換器是非常重要的。LTC3309A 是一款非常小巧的高效率、低噪聲、單片同步 6A 降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，采用 2.25V 至 5.5V 的輸入電源工作。該器件采用了Silent Switcher結(jié)構(gòu)，最大限度降低了 EMI 發(fā)射。
LTC3309A 可工作在強(qiáng)制連續(xù)或脈沖跳躍模式 (以實(shí)現(xiàn)低噪聲)或低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode) (以在輕負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)高效率)，非常適合電池供電型系統(tǒng)。該 IC 可調(diào)節(jié)低至 500mV 的輸出電壓。其他特點(diǎn)包括輸出過(guò)壓/短路保護(hù)、熱停機(jī)、時(shí)鐘同步和高達(dá) 100% 的工作占空比 (以實(shí)現(xiàn)低壓差)。該器件采用外形扁平的 12 引腳 2mm × 2mm × 0.74mm LQFN 封裝，此封裝具有裸露焊盤(pán)以實(shí)現(xiàn)低熱阻。
結(jié)論
雖然可穿戴設(shè)備的發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)從健身轉(zhuǎn)移到了醫(yī)療，但這也意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著更苛刻的系統(tǒng)要求并因此具有更嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如耐熱和空間受限的外殼以及如何能夠在不受干擾或中斷的情況下傳輸數(shù)據(jù)等，這些挑戰(zhàn)背后都或多或少的能找到從電源方面的解決方案。ADI的超低噪聲穩(wěn)壓器LTC3309A和備用管理器LTC4041可滿足可穿戴式設(shè)備小型、緊湊、熱效率高和魯棒的解決方案的需求。
在智能可穿戴體征信號(hào)檢測(cè)市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品組成方面，ADI有著完整的產(chǎn)品線組合，包括從電源到體溫、阻抗、光學(xué)等傳感器、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)的高集成模擬前端或分立信號(hào)鏈產(chǎn)品，特別是ADI成功收購(gòu)電源技術(shù)領(lǐng)先提供商凌力爾特公司后，更整合了后者獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的電源技術(shù)，從而提供更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的萬(wàn)恒解決方案。可穿戴體征信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這種整合的完整解決方案有助于從電源、信號(hào)鏈到系統(tǒng)的完美設(shè)計(jì)。
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