智能可穿戴医疗设备是如何进行能量收集的？

背景

总体医疗电子市场在 2015 年的估值约为 30 亿美元，并预期将以 5.4% 的年复合增长率持续成长，到 2022 年达到 44.1 亿美元的市场规模。[信息来源：Marketsandmarkets.com]。那么，认为以下因素是推动这种发展的一些主要动力就不足为奇了，即：不断上升的人口老龄化和日趋增多的生活方式疾病；对于个性化、易用型和先进保健装置日益攀升的需求；以及可穿戴式医疗电子产品使用率的不断提高。

与此同时，由于长时间地让患者在医院的病床上治疗和康复所产生的费用在经济上逐渐变得难以为继，对于医疗机构自身和患者而言都是如此。因此，医院正在寻找减少这些费用负担的方法，在不会影响患者完全康复的情况下，让患者尽快获得良好和自主性。实现此目标的一种方法是用远程监测和诊断设备解放患者，这样他们就可以回到自己的家中休养了。这些远程病患监测功能通常包括心率、血压、呼吸率、睡眠呼吸暂停、血糖水平和体温。因此，这对“刺激便携式和无线医疗仪表增长的现实走向之一是门诊治疗”的假设提供了支持。结果，许多此类便携式电子监测系统必须内置 RF 发送器，这样从患者监测系统收集的任何数据都能容易地直接发送回医院内的监控系统，主治医师稍后即可在此进行检查和分析。

低功率精准型组件促成了便携式和无线医疗仪器的快速成长。然而，与许多其他应用不同的是，此类医疗产品对于可靠性、工作时间和坚固性通常有着高得多的标准。该负担的大部分落在了电源系统及其组件身上。医疗产品必须正确地工作，并且在交流电源插座、备份电池、甚至收集的环境能量源等多种电源之间无缝地切换。此外，必须竭尽全力地提供针对各种不同故障情况的保护及耐受能力，尽量地延长依靠电池供电时的工作时间，并确保每当接入了某种有效电源时正常的系统操作是可靠的。

适用于患者监测系统的潜在解决方案

鉴于上述情形，这是合理认为“给患者提供合适家用医疗仪表的花销远远不及出于相同目的而让患者住院治疗所支付之费用”。不过，至关重要的是：患者使用的设备不仅必需可靠，而且还要为患者提供防护！因此，这类产品的制造商和设计师必须确保它们能够依靠多种电源 (包括备份能源) 无缝地运行，从患者身上收集的数据具有高可靠性，并实现 99.999% 的无线数据传输完整性。这要求系统设计师确保即将采用的电源管理架构不仅具备坚固性和灵活性，而且还必需紧凑和高效。这样，医院和患者的需求相互得到了满足。

幸运的是，凌力尔特等多家模拟公司致力于通过推出创新型产品来提供针对上述问题的解决方案。由于医疗电子系统中有很多应用即使在交流电源中断的情况下也需要连续运行功率，因此一项关键的要求是实现低静态电流以延长电池寿命。相应地，备用静态电流小于 9A 的开关稳压器常常是用户所需要的。事实上，有些依靠电池与能量收集之组合作为其主电源供电运行的新型系统，要求其静态电流为个位数的微安级，或者在某些场合中甚至是纳安级。这是在此类“居家使用型”患者医疗电子系统中得到采纳所必需满足的先决条件。

尽管开关稳压器产生的噪声高于线性稳压器，但是它们的效率水平要比后者好得多。只要开关电源以可预知的方式运行，噪声和 EMI 水平在许多敏感应用中被证明是易控制的。如果开关稳压器在正常模式中以恒定频率执行开关操作，而且开关边沿是干净和可预知的 (没有过冲或高频振铃)，则 EMI 得到了最大限度的抑制。小的封装尺寸和高工作频率能够提供小巧紧凑的布局，这极大地降低了 EMI 辐射。此外，假如稳压器可使用低 ESR 陶瓷电容器，则能尽量地减小输入和输出电压纹波，这些纹波是系统中的额外噪声源。

当今多功能患者监测医疗装置中的电源轨数目有所增加，而工作电压则持续地下降。虽然如此，许多此类系统仍然要求 3V、3.3V 或 3.6V 电源轨以为低功率传感器、存储器、微控制器内核、I/O 和逻辑电路供电。此外，由于它们的运作有时是生死攸关的，所以其中很多都配有一个电池备份系统以防装置的主电源发生故障。

传统上，它们的电压轨一直是由降压型开关稳压器或低压差稳压器提供。然而，此类 IC 并未利用电池的全工作范围，因而缩短了装置的潜在电池运行时间。于是，当采用降压-升压型转换器 (其能提升电压或降低电压) 时，它将使电池的全工作范围能得到利用。这增加了操作裕量并延长了电池运行时间，因为更多的电池寿命是可用的，尤其当它接近其放电曲线的低端时。

作为一种电源的能量收集

最近，在能量收集领域涌现了大量的创新成果；特别是采用人类自身的体热作为给电子监测系统供电或对为这些系统供电的电池进行再充电的一种潜在能量源。这类技术进步实现了医疗电子组件尺寸和形状的改变，以适应毫瓦和 / 或微瓦功率范围。这意味着许多复杂的电子系统和装置 (例如：可穿戴式医疗和自主设备) 如今的功率消耗可大约低于 250µW。

而且，功率级别处在数 µW 至数百 mW 范围内的无线传感器网络通常采用电池电源工作。不过，由于电池电源内在局限性 (例如：电荷的贮存寿命，以及适用情况下进行定期再充电的需要) 的原因，采用热量或振动等环境能量源来完成“可再充电”电池定期再充电的可能性已经展现在世人面前。现在，该是介绍的时候了。

凌力尔特制造能量收集 IC 几乎已有 10 年的时间；推出的首款产品是 2009 年 12 月面市的 LTC3108。LTC3108 是一款超低电压 DC/DC 转换器和电源管理器，专为收集和分配剩余能量而特别设计，可从热源产生极低的电压。这可以是从“热”到“更热”或从“冷”到“更冷”，因为唯一需要的是 1°C 或更大的温度梯度。

然而，更近期推出的产品是 LTC3107，它是一款高度集成的 DC/DC 转换器，专为通过收集和管理来自 TEG (热电发生器) 和热电堆等极低输入电压电源的剩余能量来延长低功率无线系统中的主电池之寿命而设计。

采用 LTC3107 后，一个负载点能量收集器只占用极小的空间，只要能够容纳 LTC3107 的 3mm x 3mm DFN 封装和几个外部组件即可。通过产生一个跟踪现有主电池之电压的输出电压，可无缝地采用 LTC3107 以把免费热能收集的成本节约带到新的和现有的电池供电型设计中。此外，LTC3107 还能与一个小的热能量源一起延长电池寿命 (在有些场合中可长达电池的保质期)，从而降低与电池更换有关且重复发生的维护成本。LTC3107 专为增强电池或甚至完全为负载供电而设计，这取决于负载情况和可用的收集能量。图 1 示出了 LTC3107 能怎样容易地收集热能以为无线传感器节点 (WSN) 供电，并在环境能量源不可用时无缝地切换至电池电源。

此外，LTC3331 是一款多功能环境能量收集器，其形成了完整的能量收集调节解决方案，当可收集能量可用时，提供高达 50mA 的连续输出电流以延长电池寿命，见图 2。当用收集的能量向负载提供稳定功率时，该器件不需要电池提供电源电流，而在无负载情况下用电池供电时，仅需要950nA 的工作电流。LTC3331 集成了一个高电压能量收集电源和一个同步降压-升压型 DC/DC 转换器 (该转换器由可再充电主电池供电)，以为 WSN 和物联网 (IoT) 设备等能量收集应用提供一个不间断输出。

图 1：LTC3107 收集热能以为一个 WSN 供电和 / 或给一个电池充电

图 2：LTC3331 可转换多种能量源，并能使用一个可再充电的主电池

LTC3331 的能量收集电源由一个适合 AC 或 DC 输入的全波桥式整流器和一个高效率同步降压型转换器组成，从压电 (AC) 、太阳能 (DC) 或磁性组件 (AC) 能源收集能量。一个 10mA 分路器用收集的能量实现简便的电池充电，而低电量电池断接功能则保护电池免于深度放电。可再充电电池给一个同步降压-升压型转换器供电，该转换器在 1.8V 至 5.5V 的输入范围内工作，当收集的能量不可用时用来调节输出，而不管输入高于、低于或等于输出。在应对微功率电源时，LTC3331 电池充电器拥有非常重要且不可忽视的电源管理功能。LTC3331 纳入了对电池充电器的逻辑控制功能，以便仅在能量收集电源有多余的能量时才给电池充电。如果没有这种逻辑控制功能，能量收集电源就会在启动时卡在某个非最佳的工作点上，不能完成启动，无法给目标应用供电。当收集的能源不再可用时，LTC3331 自动地转换到电池。这带来了一个额外的好处，即：如果适合的能量收集电源至少在一半的时间内可用，就允许电池供电的 WSN 将其工作寿命从 10 年延长至超过 20年，假如环境能量源更加普遍存在，那么寿命甚至更长。

结论

智能型医疗可穿戴产品市场已蓄势待发；医院病患照护的高成本和呈爆炸性增长态势的人口老龄化之共同影响是其成长的推动力。包括使用传感器的医疗保健可穿戴设备在内的这新一波产品可监视关键生物统计信息，例如在医院以外测量心率和血压，这为采用更加积极、健康的生活方式创造了机会。智能可穿戴设备的核心架构取决于产品类型，但基本上由一个微控制器、MEMS 传感器、无线连接电路、电池和支持性电子组件组成。

因此，拥有目前这波能够利用多种形式的环境能量，以为人体健康监测装置供电的多功能能量收集和 / 或 IoT 解决方案，就可以在不影响患者完全康复的情况下，让他们较快地返回自己的家中进行治疗和休养。