延长医疗可穿戴设备的电池寿命

发布时间:2024-06-17  

对于便携式医疗设备而言,需延长其电池寿命,减小其外形尺寸,从而确保患者成功使用、实现积极的医疗效果。使用纳安级功耗开关控制器MAX16164,不仅能够解决寿命及便携性问题,还将通过可编程休眠时间提供设计灵活性。


引言

健康是生活幸福满足的基础。近期,新冠疫情进一步凸显了健康生活方式的必要性与重要性,并强调持续健康监测的关键意义。借助活动追踪器、血压监护仪、生物传感器、连续血糖监测仪(CGM)等可穿戴医疗设备,人们能够定期监测重要的健康信息,例如计算每日步数、检测摔倒情况、跟踪检查心率以判断是否发生房颤,或者监测血糖水平。此类设备默默持续收集重要数据,以便用于诊断和治疗。最近,半导体技术不断创新,且消费者对健康监测的需求日益增加,因此,人们对可穿戴医疗设备的需求随之骤增。

电池供电/可穿戴医疗技术的挑战

在设计可穿戴医疗设备时,需要考量多种重要因素,其中至为重要的一项是操作高效可靠且尺寸小巧。例如,CGM可跟踪用户的血糖水平,并指示血糖水平是否过高或过低。1型或2型糖尿病患者必须根据所示血糖变化做出相应反应,如果不及时治疗,则会导致脱水和糖尿病性昏迷而危及生命。在CGM技术出现之前,用户每天都需要多次刺破手指,采血测量血糖水平。然而所幸的是,可穿戴CGM减少了刺破手指进行血液分析的需求。CGM贴片采用电池供电,因此,电池续航时间越长,用户需要更换贴片的次数则越少。显然,这一特性令用户高度期待。

目前,系统设计人员具备多种工具,用以延长电池供电设备的电池寿命。除电池类型及尺寸因素外,许多低功耗器件也可降低系统功耗,包括低功耗微控制器、低功耗信号调理器、降压/升压转换器、负载开关和LDO。首先,低静态电流能够降低系统待机功耗,从而显著延长电池寿命。其次,借助纳安级功耗降压转换器、升压转换器和信号调理器等纳安级功耗器件,新型解决方案架构可以进一步降低系统功耗。

在多项医疗应用中,例如连续血糖监测以及心电图,系统需要定期自动监测并报告信息。这意味着设备需要保持开机,但在不进行测量或报告时,则需尽可能减少消耗。微控制器和微处理器能够执行这项任务,但二者往往功耗太高,即使在低功耗或休眠模式下也是如此。此外,还有一种周期性唤醒系统的解决方案,即使用实时时钟和负载开关。这种解决方案需要额外的集成电路,并且会降低可靠性。

开关控制器系统框图

对此,存在一个新颖的解决方案,即使用开关控制器在必要时唤醒系统微控制器,并尽量减少待机模式下的功耗。设有可编程休眠时间的开关控制器,具备超低功耗、无软件依赖性、尺寸小巧等优点。

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MAX16164是一款具有可编程休眠时间的纳安级功耗开关控制器,可通过电阻或I2C总线进行编程。该器件在休眠状态下功耗为30nA,在关断模式下则仅为10nA。

纳安级功耗开关控制器如何帮助节省电能并延长电池寿命?

设想一个电池供电型医疗设备,结构如同上方的系统框图,其功耗如下所示。

基于Cypress PSoC 6 CPU
平均活动功耗为4.7mA
占空比:0.1%

假设电池电压始终一致,由微控制器负责开启和关闭系统,且休眠模式实时时钟功耗为7µA。

功耗:

CPU活动功耗 x CPU占空比 + CPU休眠功耗 x (1 - CPU占空比) = 4.7mA x 0.001 + 7µA x 0.999 = 4700nA + 7000nA = 11700nA。

如果使用MAX16164,该器件和系统的休眠功耗为30nA。

使用MAX16164时的功耗:

CPU活动功耗 x CPU占空比 + CS28休眠功耗 x (1 - CPU占空比) = 4.7mA x 0.001 + 30nA x 0.999 = 4700nA + 30nA = 4730nA。

因此,MAX16164与具有休眠模式的CPU相比,功耗比为4730/11700=40%。由此可得,使用MAX16164可将电池寿命延长60%。

此外,MAX16164采用微型WLP和小型µDFN封装,以极小尺寸实现可靠、节能的优势。

总结

人们日益关注自身的生活方式,并且正探寻方法以更好地监测并管理健康。如今,小巧、可靠且能长时间运行的医疗设备深受关注,其对于健康监测至关重要。针对需持续监测健康状态迹象的可穿戴医疗设备,使用纳安级功耗MAX16164开关控制器将能够延长电池寿命。


文章来源于:电子工程世界    原文链接
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