如何实施可穿戴医疗设备中的设计权衡

虽然定制ASIC能够使原始设备制造商对功能和需求实现更好的平衡，但现实中仍非完美无缺。实际上几乎所有应用也都是如此，尤其对先进的可穿戴医疗系统而言。这类系统中，功率预算、功能和外形都受到严格限制。本文研究了原始设备制造商在采用ASIC方案时，可能面临的一些关键权衡，以及如何更有效地平衡这些权衡。

医疗保健和健康应用所采用的可穿戴技术，代表着一个巨大的市场机会。其设计潜在覆盖范围很广，从智能膏药到手腕监视器，再到治疗系统。但许多此类设备都有一系列常见的约束限制，其中最重要的就是精度、能耗、体积和成本。

尽管上述每个约束都对硬件设计有着重要影响，但设计师通常需要面对的权衡主要集中在设备的能量配置上。功耗如何随着活动变化，这往往决定了体系结构决策以及设计满足其他约束的程度。

权衡1：设备常开VS电池容量

所用电池容量将限制可提供给设备的能量。而采用能量收集的无电池设计将受到更大的限制。能量限制将约束设计的几个方面。从系统设计的角度来看，在所有级别上对能量决策影响最大的是占空比。

尽管许多医疗保健设备表现为“常开”，但在大多数情况下，高效的设计将确保大多数电路在低占空比下运行：在被唤醒采取行动之前，尽可能长时间地休眠和断电。在现代工艺节点中，功率门控是必不可少的，以防止功率晶体管不断漏电流。例如，采用多个时钟和电源域，可以确保只在正确的时间才向需要电源的子系统供电。

很多时候，系统中唯一始终处于活动状态的电路，是高能效的定时器和内存缓冲器，它们定期唤醒前端电路来执行数据转换，并将数据转移到缓冲器中。电路或固件可以监视输入数据，以查看是否已经超过某些阈值，或者缓冲器是否已满。如果是，则逻辑可以触发状态转换，该状态转换会唤醒监控微控制器，来进行数据分析。在这个级别上做出的决策，有可能会导致系统的更多部分被唤醒，从而采取进一步的行动，包括采取数据中继的形式，利用蓝牙将数据中继到另一个物联网设备或智能手机等。

尽管睡眠和唤醒周期可以在软件或固件级别进行管理，这并不一定是功效的最佳选择，在考虑全系统功耗时，前端ASIC可以提供显著优势，这正是其被采用的原因之一。前端ASIC通常可以提供如下能力，即对非定制前端数据转换器的预定义状态中可能不用的功率状态进行微调控制。

权衡2：性能VS电池容量

许多现成的高分辨率ADC都采用Σ-Δ架构。在该架构中，数字滤波器利用采样率来换取源自相对简单的模拟输入级的分辨率。在现代半导体工艺中，这是一种以相对低成本来提供高精度和大动态范围的设计方法。大动态范围有助于管理医疗保健设备中的干扰，因为在医疗保健设备中，有用信号里通常会混入许多噪声。

对捕获的数字信号进行处理时，若采用功能相对强大的处理器，则可以从相对较小的有用信号中滤除大部分噪声和干扰。然而不幸的是，这种策略将使得系统的功耗变高。不仅DSP执行的过采样和滤波需要很多能量，主微控制器中实施的许多数字后处理也需要大量的能量，且每次捕获都需要激活主微控制器。

当为实现高分辨率而增加抽取滤波器数量时，Σ-Δ转换器的高延迟会使这个问题更加恶化。从捕获序列开始，获得每个采样块所需的时间，都会导致主微控制器/系统占空比的提高。

一种更节能的解决方案是专注于处理更靠近信号的干扰，然后利用混合信号电路来处理常见的噪声，这样可以将传送到主微控制器的信号变得更干净、且所用速率更低。对于这类设计，通常需要在ASIC上利用定制DSP来执行过采样信号的数字滤波，这样做有两个目的：一是通过消除大干扰对信号的影响，进而可以降低对ADC大动态范围的需求。其次是在将滤波后的信号传输到微处理器过程中，可以采用较低的采样率，从而减少了电路活动，降低了功耗。

通过在ASIC的存储器中缓冲一些输出样本，并以更长间隔唤醒微控制器来读取和处理这些样本，可以进一步减小功耗。在极限情况下，只有在出现特定的信号特征或事件时，例如心率出现异常值，这类异常数据才会被传输与记录，并会唤醒系统来实施进一步操作。由于此时输出采样率较低，还可以将输出采样存储在ASIC上的存储器中，进一步降低唤醒微控制器的读取频度，从而进一步降低功耗。

由于对大动态范围的需求较少，故ASIC可以采用能耗低得多的转换架构。可能仍然是Σ-Δ转换架构，但可采用更简单、延迟更小的抽取滤波器。这种设计的启动开销更低，从而有助于采用更短的加电和断电周期以及输入信道的多路复用。

另一种选择是逐次逼近(SAR)设计，总体上这是一种能提供高能效的架构。对于变化较慢的输入信号，其电荷积分电路可以提供能量利用、分辨率和捕获速率的最佳组合。

权衡3：功能VS外形尺寸

前端ASIC的一个重要特性是可以大大节省空间。芯片尺寸通常小于3×3mm，使得这些器件非常适合医疗保健可穿戴设备的小安装结构。

然而，充分利用ASIC紧凑特性的芯片级封装，器件能够提供的I/O连接端口数量却有限，这与在系统中构建更多传感器输入的趋势背道而驰。多输入可提供探测更多皮肤部位的能力，进而可获得更高质量的信号。智能医疗可穿戴设备越来越多地将来自不同模式传感器的数据相结合，以改善整体结果，同时更有效地处理各输入附带的噪声。

图1：获得2022年詹姆斯·戴森奖的SmartHeal智能传感器敷贴。该敷贴由华沙理工大学的学生发明，利用pH值来监测伤口的愈合情况，并利用RFID进行低功耗通信。(图片来源：詹姆斯·戴森基金会)

在减小芯片尺寸和增加I/O连接端口数之间，传统的权衡方法是在封装中采用比标准的0.4mm间距更高的密度。但这可能会增加整体系统成本，因为需要对PCB和组装技术进行升级，以处理更窄间距的电路迹线。另一种选择是增加I/O通道上的多路复用水平，特别是用于与外部微控制器的连接。

串行端口上的多路复用，提供了一种根据数据吞吐量来安排引脚数量的有效方式。这样可根据所用的协议来安排，从而更具有灵活性。如果利用双线I2C就能够支持设备所需的数据速率，就不要用四线SPI，这就意味着可以释放两条宝贵的I/O引脚。

减少引脚数量的另一个方式是优化电路设计，应尽量避免利用外部无源元件(如电容器和电感器)来实现模拟信号处理功能。半导体厂提供的混合信号工艺，支持在金属互连堆叠中形成无源元件，并且可以在管芯尺寸与引脚数量之间提供有效的折衷。

还值得一提的是，先进封装技术通过在单个封装中直接嵌入模拟前端和各种传感器，这样也能释放PCB面积和I/O引脚的约束。

权衡4：BoM VS成本

在理想情况下，系统的大部分功能将被集成到一片ASIC中。不过，在某些情况下，这在经济上是不可行的。

集成到ASIC中的功能以及ASIC实现这些功能所需的工艺节点，将受到许多因素的影响。包括电压电平、IP可用性、对非易失性存储器的支持、所需逻辑门的数量和成本等。与逻辑或存储器的工艺快速升级不同，晶体管及其集成组件的工艺升级较慢，从而使得模拟接口及相关支持电路在成熟工艺节点上更具经济性。

虽然鱼与熊掌不可兼得，不过一个好的ASIC设计师，将能够平衡各种折衷，并考虑整个系统，从而找到最佳选择。

实际中一个很好的权衡例子是葡萄糖监测贴片。这种类型的设备需要模拟前端、无线通信的BLE支持、处理器核和闪存。假设采用55nm工艺，ASIC的总开发成本可能达到数百万美元。因为不光要考虑设计和半导体厂生产掩模费用，还要包括BLE和处理器IP的许可费用。

实现相同设计的一种更具成本效益的方式是采用模拟前端ASIC，该ASIC与各种现成的支持BLE的处理器相配合。如果能够支持外部处理器的话，就会更具灵活性，如果供应链要求的话，就可以支持制造商的变更。

这样做将需要复制ASIC中的一些功能，可能需要额外的通用I/O、I2C、SPI以及电源管理接口。这可能会增加ASIC的尺寸，况且表面上看会增加制造成本，但实际上，总成本可能会更有效地降低。因为ASIC将能够采用具有较低掩模成本的成熟工艺，例如130nm。另外，ASIC需要的IP许可更少，这也会降低开发成本。而且该架构仍能提供供应链保护。

图2：在低功耗小尺寸系统中，ASIC设计虽然有多种权衡，但成本、性能、尺寸、功能和电池寿命都将得到优化。

结论

采用ASIC方法可以保护免受供应链问题的影响，并支持优化设计。但总是需要各种权衡，在选择这种设计方案之前，应该对这些权衡进行充分理解。

(参考原文：managing-asic-design-tradeoffs-for-wearable-medical-devices）

本文为《电子工程专辑》2024年2月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅