便携式医疗设计中的无线发展趋势和解决方案 - 全文

　　电子发烧友网讯：医疗行业渴望获得多功能和互操作性，当然还需要无线接口，本文将探讨无线发展趋势及其挑战，包括在采用无线模块时，现在设计中的标准和频率以及功率考虑事项。使用单节可充电电池的应用将会是未来通用终端应用产品，如某些血糖仪和脉搏血氧计之类。我们将讨论这些趋势如何影响医疗保健行业。

　　虽然消费类应用设备总有一些精通科技（tech-savvy）的用户，并可以给他们推荐一系列功能集和附件功能，但是典型的医疗终端用户可能各式各样，从居家病人到医院里照顾严重病人的护士，两者均有特定的需求以及所期望获得的特性。但作为终端设备，医疗器材必须可靠和易于使用。满足上述需求的技术业已可用，但更重要的是，这些技术也经过证明足以满足这些需求并推动当前的设计趋势。如果设计人员了解去哪里寻找合适的技术和如何应用，则手机技术是现成的和容易利用的。

　　医疗移动设备通常具备特定的用途，如脉搏血氧仪或血糖仪，这些设备完成其核心任务非常出色。这些便携设备演变成具有多传感器日常任务以及数据趋势记录，在显示屏有限的小型手机上保留这些信息并不实际。有两种通用方法从手机或其接口获取这些数据：使用无线方式或者通过USB。不久以前，使用的是可移动储存卡，但即使把它们取下或插入PC这样简单的工作也是很麻烦的。

　　无线趋势和解决方案

　　现在医用手机设计支持两项标准：低功率蓝牙（Bluetooth®）和ZigBee®。在无线医疗远程监测服务（Wireless Medical Telemetry Service，WMTS）以及工业科学和医疗（Industrial Science and Medical，ISM）领域，也有一些基于专有技术的解决方案，其频带范围为400MHz至2.5GHz，当然，这仍然属于移动电话的频带。频带选择将取决于应用需求以及与接收器的距离远近，设备的尺寸和可用功率也将影响频带。不管频率选择如何，对于所有无线应用，功率也是常见的两难问题，但也这是我们从移动手机行业中利用半导体技术最多的地方。选择单节锂离子电池作为可充电的电源，以便最好地应用此项技术。虽然AA干电池和钮扣电池也可用，但是它们的低电压经常需要较昂贵的降低/升压拓扑，而且第二电源选件不是那么普遍。

　　无线技术的核心难题是其动态功率需求，无线收发器无法工作在持续广播或接收模式下，而是按照应用相关需要以脉冲式数据发送或接收。正是这种脉冲式工作在电池供电轨（Vbatt）上是最难做到的。将无线收发器偏压通过电容组直接连接至电池是一种解决方案，但可充电电池有着太大的工作电压范围，通常是2.5V 至 4.2V。针对芯片核心供电轨必须使用DC/DC降压转换器。这可使Vbatt保持稳定，并且不会引发最终连接至Vbatt的传感器下游发生欠压事件，而其可能影响数据准确性。

　　医疗设备设计团队可能没有移动功率专家，但在快节奏的行业竞争中仍然希望能够发布新的差异性产品，以期增加市场份额。为了省去详细的DC/DC设计和建模，飞兆半导体针对使用单节可充电锂离子电池运行的无线收发器，推出完全集成的功率模块FAN4603。所有输入电容器、电感器、以及输出电容器都集成在2.5mm x 4.0mm表面贴装封装里。其瞬态响应特性是处理无线技术动态功率需求的关键。输入范围与可充电电池相符，且输出固定为1.0V到1.8V，取决于器件编号后缀类型，并且提供高达600mA的电流。6MHz的开关频率使得便携式无线设备可以使用小型集成电感器，并具有良好的瞬态响应质量。图1显示了FAN4603的内部结构。

　　

　　图1. 用于3.7V锂离子电池的FAN4603 DC/DC转换器，具有从1.0V 至 1.8V的固定输出电压范围，电流高达600mA

　　除了瞬态响应性能，选择DC/DC转换器时，观察效率曲线和注意标称工作电流下的效率也是重要的。图2显示FAN4603数据表的样本曲线。数据表也对瞬态性能进行了详述，示波器显示器显示了当电流从稳定状态到尖峰时Vout的稳定性，也即模拟无线广播，或启动更高功率传感器，如脉搏血氧计中的LED。

　　

　　图2. 在3.7V输入和不同输出电压下带有1mA 至 600mA负载时，FAN4603 DC/DC转换器的效率曲线。

　　智能MOSFET

　　从DC/DC 调节器输出下游，常常需要使用电源调节器来将经过调节的电平分配至其它负载，如传感器、背光驱动器等。在手持设备规范要求中，对电池寿命的要求较严苛，当不使用时，通常使用智能负载开关来隔离电池产生的功率消耗。为提供这两项功能，飞兆半导体提供的IntelliMAX™系列是可选择之一，该系列时常应用于移动手机和医疗手持设备设计。其概念是MOSFET带有集成驱动和保护特性，例如：转换速率控制以减少涌入电流、过流保护、热保护、以及欠压锁定。所实现的关键特性是典型的涌入电流控制和逻辑电平使能。图3显示了FPF1003 IntelliMAX器件应用来自DC/DC的输出，提供逻辑可使能1.8V功率电源轨。此器件是30mohm P沟道MOSFET，采用晶圆级芯片尺寸封装（wafer level chip scale package，WL-CSP），带有次1uA静态电流（此电流用于提供驱动和保护特性）。不同种类的其它配置和封装可用于此产品系列，并且选择带有最佳校准特性的器件是很重要的。不同编号器件之间的涌入电流控制，以及过流跳变点的差别很大。最终结果是相对于系统架构透明的更关注功率的设计。

　　

　　图3. 智能负载开关用来保护电源，以最简单的方式启动对下游模块的供电。电流限制设置点、故障引脚和负载放电可用于其它器件。

　　对医疗保健设备的影响

　　对于终端医疗设备，半导体技术直接影响着其功能和上市时间。采用IC技术和来自移动细分行业的功率架构可以缩短设计周期，获得经过验证的解决方案，并拥有多个供货来源。FDA审批流程在推出医疗设备过程中是一个非常耗费时间的阶段，所以使用经过证实的技术是快速达到目标的关键所在。类似FAN4603的集成功率模块仅仅是许多完善这项策略的IC产品之一。请注意，不管怎样，不选择3.7V可充电单节电池，设计人员将受限于一连串的DC/DC调节器，所以，在建立架构阶段的早期做出正确的决策是应用移动技术的关键。

　　易于与PC或其它手持设备相连接的寿命更长的医疗手持式设备是最终用户体验的关键所在。由于无线技术减轻了此项烦恼，数据必须最终提供予医生或医院，以便在医疗保健方面起到最大的作用。无线技术是这个最终目标的关键，但随着标准的确定和实施，必须克服数据隐私和FDA障碍。在标准委员会、半导体供应商和便携医疗产品设计人员之间进行更进一步的合作，是实现可靠的、能共同使用的解决方案的关键。

　　作者：飞兆半导体医疗行业现场应用工程师Edmund Suckow