作者：方良，Maxim Integrated首席应用工程师，主要负责工业及医疗技术的应用与支持。
穿戴设备是近年来非常热门的一个应用，市场上出现了众多的各种穿戴产品。本文将介绍一款Maxim针对智能手环设计的心率测量及供电方案，并重点介绍Maxim特有的SIMO（单电感多输出）技术在该方案的应用和优点。
目前市场上心率测量主要有电势测量和光电测量两种方法。电势测量是一种比较传统的测量方法，该方法通过获取心电信号，经过R-R峰值检测获得心率。而光电测量在穿戴市场方面比较流行，其测量基于“光电容积图”（PPG）技术。该方法利用了血液对绿光或其它光的吸收性，通过测量反射或透射光强的变化来反映血流量的变化，也即心脏的收缩和舒张，从而得到对应的心率数据。这种方法的基本原理是当光照透过皮肤组织后再反射到光敏传感器时，光会有一定的衰减。而有些衰减，像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等对光的吸收是基本不变的，但是血液不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收会有所变化。当我们把光转换成电信号时，正是由于动脉对光的吸收有变化而其他组织对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号。提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点，从而得到心率和其它生理参数。大部分的腕带式心率测量设备都采用了这种反射式测量方法，我们这款设计也是采用了反射的PPG技术。
图1所示为本设计框图。该设计采用3.7V锂电池供电，USB对其充电，整个电源管理采用了Maxim SIMO技术的集成电源管理芯片MAX77651B。对PPG的处理，设计采用了Maxim最新的高性能处理前端MAX30112。而处理器用的是Maxim专门针对穿戴等应用场合的MAX32660。整个板子的尺寸（包括所有元件）是36mm*14mm，可以嵌入到目前市场上绝大部分流行的手环带中。
图1. 设计系统框图
图2. MAX30112结构框图
MAX30112是Maxim公司完整的光学血氧和心率检测模拟前端(AFE)，具有19位高分辨率，并内置了环境光消除电路和噪声消除电路，可以有效的去除噪声，提高信噪比。芯片集成了高达200mA的电流LED驱动电路，并可以通过内置DAC准确调节电流大小，以适应不同的测量场合和人群。MAX30112是腕式应用的极低功耗的高性能心率/血氧检测解决方案，主电源1.8V，支持标准I2C兼容接口，体积只有2.8mm x 2.0mm，主要用在腕式可穿戴设备，心率和SpO2监测设备以及健身可穿戴设备上。
MAX32660是带有浮点运算单元 (FPU)的超低功耗ARM M4核的MCU，自带256KB闪存、96KB RAM、16KB指令缓存、14个通用I/O引脚，采用简单的SWD编程。其内部振荡器工作频率高达96MHz，支持SPI，UART和I2C通信。它集成了优化的电源管理单元，待机电流只有2uA，可以最大程度延长电池的工作时间。MAX32660的超低待机功耗，灵活的电源配置，超小体积（1.6mm x 1.6mm），使其非常适合可穿戴设计应用，包括运动手表，手环，健身设备，可穿戴医用贴片，手持医疗设备和物联网(IoT)等应用。本设计中，MAX32660处理各种软件工作，还包括一款动态心率算法。
图3. MAX32660 结构框图
图4. MAX32660 软件流程图
MAX30112作为信号处理的核心部分，其信噪比直接决定了整个设计的性能，下图是几位测试对象的信号输出波形，可以看到PPG波形质量很好，完全可以满足各种算法要求。
lady_w1, 30years old, wrist, HR=84
Kid boy_f3, 9 years old, wrist, HR=72
man_l4, 42 years old, wrist, HR=76
man_f6, 42 years old, wrist, HR=68
为了说明效果，我们专门开发了静态的心率算法，该算法可以根据测试对象特点进行自动跟踪调整测量参数。我们随机抽取了几组测量对象，和目前市场上流行的手环产品对比。以下是测试对比表。
Table 1. 测试对比表（测试条件：手腕，共6名测试者）
心率（HR） |
参考设计Maxrefdes1207 |
市场流行品牌手环 |
Test 1 |
84 |
87 |
Test 2 |
65 |
66 |
Test 3 |
72 |
x |
Test 4 |
76 |
78 |
Test 5 |
73 |
74 |
Test 6 |
68 |
63 |
穿戴设备都是电池供电，对工作时间有一定要求，同时对体积也有严格要求，希望越小越好。比如本设计要求在120mAH的电池下，可连续工作24小时，待机可以达到2周。因此，电源管理系统就显得尤为重要。小尺寸、锂电池供电设备的大多数PMIC还会需要其它附加器件，例如boost、buck或低压差（LDO）稳压器、充电管理器或用于LED显示器的电流调节器。为节省空间、提高效率，MAX77651将上述功能全部集成在一起，构成完整的电源方案，而面积只有19.2mm2 ，基本是当前市场上类似方案尺寸的1/2。MAX77651另一个显著特点是采用单电感多输出（SIMO）buck-boost架构，凭借独特的内部控制系统实现单个电感提供三路电源输出，并结合150mA LDO和三路灌电流驱动器，大大减少板级元器件数量，最大程度地增大电路板可用空间。为提高设计灵活性，MAX77651分别支持最高3.3V和5V工作电压，同时也提供各种工厂编程选项，允许客户根据自身需求量身定制方案，使产品快速上市，是一款理想的低功耗设计应用的芯片。因此，MAX77651具有超低待机功耗（0.3uA），高效率，少器件，小尺寸的显著优势。下图是采用Maxim SIMO方案和传统电源方案的一个示例对比测试。
图5. SIMO方案和传统电源方案对比
图6. MAX77651应用框图
系统既有高精度模拟电源，也有数字电源，而我们设计采用的是单一集成的电源方案，因此其性能对系统精度极为重要。电路设计和PCB布线一定要以数据手册要求为主，尤其重点要注意以下几点：
一是IN_SBB和SBBx的电容要尽可能的靠近管脚，尽量不要有过孔；
二是SBBx的输出走线尽可能短，减少和负载端的分布参数；
三是由于SIMO 是高度集成方案，外围器件很少，主要就一个电感和几个电容，所以整个尺寸很小。为了保证性能，需要多层布板，建议4层或以上，保证有单独的电源层和地层。
下图是本参考设计测试的MAX77651B 输出波形，可以看到纹波最大是40mVpp。这是单一电感3输出的效果，性能完全可以接受。
图7. MAXREFDES1207电源纹波测试
图8是本设计的产品，我们所有测试都是基于它进行的测试。
图8. MAXREFDES1207
参考文献
MAX30112数据手册，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/sensors/MAX30112.html
MAX77651数据手册，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/power/switching-regulators/MAX77651.html
MAX77650/MAX77651 编程手册，Maxim Integrated Products
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6428
MAX32660数据手册，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/microcontrollers/MAX32660.html
MAX32660 用户编程手册，Maxim Integrated Products
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6659
END
硬禾学堂
硬禾团队一直致力于给电子工程师和相关专业的同学，带来规范的核心技能课程，帮助大家在学习和工作的各个阶段，都能有效地提升自己的职业能力。
硬禾学堂
我们一起在电子领域探索前进
关注硬禾服务号，随时直达课堂
点击阅读原文参加Funpack第六期
