更新尺寸和新可穿戴設(shè)備的附加功能使設(shè)計(jì)人員不僅可以替換可更換電池作為電源。

監(jiān)測(cè)和跟蹤心率，呼吸，活動(dòng)和其他健身相關(guān)數(shù)據(jù)的健身樂隊(duì)現(xiàn)在是日常消費(fèi)品，但它們只是更大的可穿戴健康，健身和醫(yī)療領(lǐng)域中最明顯的一部分?，F(xiàn)在，可穿戴設(shè)備開始在醫(yī)院和家庭中轉(zhuǎn)變醫(yī)療保健，幫助降低成本，增加患者對(duì)自己護(hù)理的參與，提供全天候監(jiān)控，甚至根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間表管理藥物。

可穿戴醫(yī)療設(shè)備可以監(jiān)控廣泛的臨床測(cè)量：心率和呼吸，以及氧氣水平，血糖水平，水合作用，血壓，皮膚電導(dǎo)，溫度，大腦活動(dòng)等診斷指標(biāo)。然后記錄數(shù)據(jù)并以無(wú)線方式傳達(dá)給醫(yī)務(wù)人員，他們有潛在問(wèn)題的記錄和預(yù)警。

與許多其他醫(yī)療監(jiān)測(cè)技術(shù)一樣，ECG已經(jīng)從昂貴的固定基礎(chǔ)機(jī)器發(fā)展成為低成本的可穿戴設(shè)備。

從笨重的固定基座安裝過(guò)渡到患者幾乎沒有注意到的微小模塊已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了（圖1）。例如，當(dāng)心電圖（ECG）機(jī)器出現(xiàn)在1908年時(shí)，它需要五個(gè)人操作并且患者必須將每個(gè)肢體放置在一桶鹽水中。盡管如此，這比之前的情況有了很大的改進(jìn)：直到19世紀(jì)末，醫(yī)學(xué)科學(xué)家才能通過(guò)直接檢查心臟來(lái)記錄心臟活動(dòng)。當(dāng)然，它的主人必須死了，但仍然.......

當(dāng)前的醫(yī)療可穿戴設(shè)備不僅可以監(jiān)控患者的心跳。它們將多種功能組合到一個(gè)生物傳感器中。例如，VitalConnect的臨床級(jí)VitalPatch包含ECG電極，三軸MEMS加速度計(jì)和熱敏電阻。除心率外，該貼片還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸頻率，皮膚溫度以及身體姿勢(shì)，活動(dòng)水平和跌倒檢測(cè)等指標(biāo)。醫(yī)院工作人員可以通過(guò)醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訪問(wèn)信息。

必須降低功耗

幾乎所有手持式和可穿戴產(chǎn)品都有一個(gè)共同點(diǎn)：每一代產(chǎn)品都包含更多的功能和更高的性能。這些功能的組合通常會(huì)增加功耗，但可穿戴設(shè)備是電池供電的，并且通常不可能增加電池的物理尺寸，因?yàn)檩^小的封裝也是典型的產(chǎn)品要求。

最簡(jiǎn)單的解決方案可能是讓用戶只需更換新電池，然后離線為已用完的設(shè)備充電。然而，對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，將電池密封在外殼中會(huì)帶來(lái)許多優(yōu)勢(shì) - 它可以為增加的功能騰出空間; 提供靈活性，可以改變標(biāo)準(zhǔn)矩形以外的電池形狀; 允許更小，更纖薄的包裝; 并改善對(duì)水和灰塵侵入的抵抗力。

因此，可拆卸電池大部分已從智能手機(jī)，健身帶和類似設(shè)備中消失。醫(yī)療可穿戴設(shè)備比消費(fèi)設(shè)備有更嚴(yán)格的要求。它們必須不受各種化學(xué)品的影響，包括溶劑和體液，電池必須一次使用幾天。

由于更換電池不是一種選擇，因此需要采用多方面的設(shè)計(jì)解決方案來(lái)平衡圓形，同時(shí)在供應(yīng)和需求方面進(jìn)行創(chuàng)新。兩個(gè)明顯的選擇是：

供應(yīng)：提高電池本身的性能，使更小的電池可以保持更多的能量。需求：降低可穿戴電子設(shè)備的功耗，以增加所選電池的運(yùn)行時(shí)間

在供應(yīng)方面，鋰離子電池的性能仍在不斷提高，其他化學(xué)品正逐漸進(jìn)入生產(chǎn)階段。然而，大多數(shù)工作都在需求方面進(jìn)行，集成電路制造商正在從頭開始設(shè)計(jì)組件，以便在每種操作模式下實(shí)現(xiàn)低功耗。

可穿戴應(yīng)用中的部件在正常操作期間必須是節(jié)能的，但是許多可穿戴設(shè)備僅需要例如以間隔進(jìn)行心率測(cè)量，并且可以將大部分時(shí)間花在低功率睡眠狀態(tài)。因此，大多數(shù)設(shè)備包括切換到低功率模式并根據(jù)需要快速喚醒的能力。

TI的MSP430系列超低功耗微控制器（MCU）就是一個(gè)很好的例子。除了全面的外設(shè)集外，MSP430器件還具有多種低功耗模式，并針對(duì)便攜式和可穿戴應(yīng)用中的延長(zhǎng)電池壽命進(jìn)行了優(yōu)化。

這種脈搏血氧儀參考設(shè)計(jì)僅為0.609×0.413英寸。

這些低功耗特性在TI的微型脈搏血氧儀參考設(shè)計(jì)中 得到了充分利用（圖2）?？刂芃SP430F5528在待機(jī)模式下僅消耗1.9μA電流，電源電壓為2.2 V. 該參考設(shè)計(jì)的AFE4403集成模擬前端（AFE）針對(duì)此應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，因此它具有動(dòng)態(tài)關(guān)斷模式，可在每個(gè)脈沖重復(fù)周期的未使用部分期間關(guān)閉模塊。

另一種醫(yī)療可穿戴參考設(shè)計(jì) （圖3）實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多參數(shù)患者監(jiān)護(hù)儀，該監(jiān)護(hù)儀使用AFE4900單芯片生物傳感前端提供同步心電圖（ECG）和光電容積脈搏波描記（PPG）測(cè)量。然后，CC2640R2F藍(lán)牙低功耗（BLE）微控制器將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇钠桨咫娔X或智能手機(jī)。該MCU采用運(yùn)行頻率為48 MHz的32位Arm Cortex-M3內(nèi)核，針對(duì)長(zhǎng)電池壽命和小尺寸應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

3. TIDA-01580參考設(shè)計(jì)是基于AFE4900生物傳感器的多參數(shù)患者監(jiān)護(hù)儀。

原始數(shù)據(jù)可用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)臨床指標(biāo)：心率，血液中的氧濃度（SpO 2），脈搏傳導(dǎo)時(shí)間（PTT）和ECG。兩個(gè)板載發(fā)光二極管（LED）指示用戶的低電池檢測(cè)和ECG導(dǎo)聯(lián)檢測(cè)。

雖然這種設(shè)計(jì)使用可更換電池，但低功耗仍然是首要任務(wù)。例如，CC2640R2F MCU在有功和低功耗模式下都具有低電流消耗。它包括一個(gè)傳感器控制器，能夠在芯片的其余部分處于睡眠模式時(shí)自動(dòng)收集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。完整的參考設(shè)計(jì)可以從一個(gè)CR3032紐扣電池運(yùn)行30天。

新解決方案提高電池充電效率

在努力降低功耗的同時(shí)，不斷推動(dòng)改善充電系統(tǒng)的性能以大化電池充電并最小化停止服務(wù)的時(shí)間。

例如，無(wú)線耳塞通過(guò)手提箱內(nèi)的電池充電。充電器必須具有高效率和小尺寸。圖4顯示了無(wú)線耳塞電池充電系統(tǒng)的超低待機(jī)功耗參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可提供高達(dá)1.5 A的快速充電，充電精度為1 mA。

用于無(wú)線耳塞的電池充電系統(tǒng)依賴于USB電源。

大多數(shù)電路都位于耳塞式充電盒中。該bq24073鋰離子電池充電器從USB輸入和充電電池BAT1得電，以及供電的TPS61099同步升壓轉(zhuǎn)換器提供電源的耳塞電池BAT2。耳塞包含bq25100A電池充電器，可以控制耳塞式250-mA單節(jié)鋰離子電池的充電周期。兩種充電器都遵循特有的三相鋰離子充電曲線：調(diào)節(jié)，恒定電流和恒定電壓。BAT1在沒有USB連接的情況下提供充電電流。

由于低充電電流，可以為兩個(gè)電池充電器選擇線性拓?fù)?。線性設(shè)計(jì)比等效開關(guān)設(shè)計(jì)更緊湊，成本更低，因?yàn)樗鼈儾恍枰蠖嘿F的電感器。雖然線性充電器的熱性能不如更高效的開關(guān)設(shè)計(jì)，但它足以滿足這種應(yīng)用。在更高的電流水平下，切換器更可取。

甲TLV713P 150毫安低壓降穩(wěn)壓器（LDO）提供一個(gè)2.5 V電源軌MSP430FR2100，其監(jiān)視所述充電電流，并控制TPS61099升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的微控制器。

當(dāng)USB輸入電壓高于所需輸出電壓時(shí)，充電器參考設(shè)計(jì)支持直通模式。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高于85％的效率，待機(jī)電流僅為18μA。

能量收集：電子“免費(fèi)午餐”？

隨著組件的功耗不斷降低，醫(yī)療可穿戴設(shè)計(jì)人員可以研究使用能量收集對(duì)電池充電的新方法。換句話說(shuō)，利用否則會(huì)浪費(fèi)的環(huán)境能量。

太陽(yáng)能，來(lái)自靜電的摩擦電能，來(lái)自運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和熱量都可以轉(zhuǎn)換成電能。然后，能量將補(bǔ)充可穿戴電池并延長(zhǎng)充電周期之間的時(shí)間。理想情況下，設(shè)備可以完全由環(huán)境能量供電并完全消除電池。

提高轉(zhuǎn)換裝置的效率是一個(gè)積極研究的領(lǐng)域。新的染料敏化的光伏（太陽(yáng)能）電池（DSSC），例如，可以輸出20-25μW/厘米2 的功率在200勒克司（流明/米的照度2）-A低得多的照明電平比600-在一個(gè)典型的辦公室找到1500勒克斯。

基于薄膜技術(shù)的熱電發(fā)電機(jī)（TEG）具有前景，研究人員甚至展示了由直徑為1-2原子的納米線組成的熱電結(jié)構(gòu)。由于人體中自然產(chǎn)生的熱源，TEG在增加植入式醫(yī)療設(shè)備的電池壽命方面具有很大的前景。

可穿戴設(shè)備非常小，因此安裝太陽(yáng)能電池或添加TEG的空間的表面積有限。因此，收獲的功率非常小 - 微瓦到毫瓦 - 并且原始輸出電壓必須提升到有用的水平。但是，對(duì)于超低功耗IC，例如MSP430 MCU和上述其他器件，它仍然足夠。

5. bq25570是從太陽(yáng)能電池和類似來(lái)源獲取能量的有效方法。

的bq25570超低功率采集器和電源管理IC被設(shè)計(jì)為有效地從高輸出阻抗的太陽(yáng)能電池或提取的TEG功率而不塌陷這些來(lái)源（圖5） 。該器件集成了高效的升壓充電器和納米功率降壓轉(zhuǎn)換器，可為具有嚴(yán)格功率和操作要求的系統(tǒng)提供第二個(gè)電源軌，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。

由于提取的功率可以有很大差異，因此bq25770具有電池管理功能，可確保可充電電池始終保持在其安全工作區(qū)域（SOA）內(nèi) - 在放電期間既不會(huì)過(guò)度充電也不會(huì)耗盡超出安全限值。該器件采用小型20引腳，3.5×3.5 mm QFN封裝。類似的設(shè)備包括bq25504和 bq25505。

結(jié)論

可穿戴設(shè)備代表了當(dāng)前和未來(lái)的醫(yī)療保健浪潮。它們?cè)趶膶?shí)時(shí)患者監(jiān)測(cè)到藥物輸送的多個(gè)領(lǐng)域中具有前景，但是可用于電池的小空間對(duì)設(shè)計(jì)者施加了嚴(yán)格的限制，特別是在功耗方面。