中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

专注于为医疗器械研发与生产服务

2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

Maxim可穿戴式医疗保健监视设备设计方案

2017-08-30

半导体技术的进步让重量轻、尺寸小的可穿戴超低功耗电池供电嵌入式系统成为可能。这些系统通常具有功能强大的超低功耗微控制器,其连接一组非常复杂的传感器,同时通过到外部系统的低功耗RF链路进行通信。功能强大的超低功耗微控制器、超低功耗模拟身体信号传感器和创新型电源与电池管理电路相结合,共同推动了可穿戴医疗保健市场的发展。

可穿戴式医疗设备可以监测身体信号多年,为医师提供有用的健康诊断信息。同样的监测设备还被应用到了高性能运动应用中,帮助优化身体机能。可穿戴身体信号监控产品现在能够以更低的价格为健康和机能优化市场的用户提供同类型的信息。

对于健康感测和监测,一般在临床环境下监视的信号几乎都可以通过可穿戴产品获得。这些传统信号包括

脉搏/心率

血氧

压力

心电图(EKG/ECG)

体温

紫外线(皮肤暴露)

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图1 可穿戴医疗保健监视平台框图

可穿戴医疗保健监视平台系统构成

这个系统由高性能、复杂集成电路实现。系统中IC的功率已经得到优化,可以采用小巧的轻质可充电锂离子电池或可更换的不可充电纽扣电池提供身体信号监测功能。

虽然许多产品的主要特性是通过固件算法来实现的,但物理设计提供了一个平台来承载这些特性。一旦平台开发完成,它就可以重新用于各种不同的产品。

电源和电池管理

功率对于任何可穿戴医疗保健平台而言都是一个非常重要的方面。这类产品必须小巧,而且不是侵入性的,因此必须采用非常小而轻便的电池。电池的可用电荷与平台的功耗特性决定了产品的可用性。人们通常希望任何可穿戴产品至少可以工作一天才需要充电。采用不可充电电池的产品应该具有数月的电池寿命。

对于采用可充电电池的设备,电池管理系统必须包括1个电池充电器和1个电池电量计。电池管理系统必须允许设备边充电边工作。

由于电池是一个电压输出不断下降的电压源,因此电源系统必须能够调节电池电压。稳压器的效率必须很高,以便将电荷利用最大化,并且还必须提供设计所需数量的轨道。可充电锂电池的可用电压范围为4.2V~3.2V。大多数可穿戴产品都使用低于单节锂电池最低电荷的主电源轨,所以可穿戴设计中的主轨来自于降压稳压器。可穿戴产品中的某些功能需要的电压电平可能高于单节电池提供的。为了提供这些电压电平,电源管理功能必须至少含有1个升压稳压器。所需电源轨的数目取决于设备的功能,但是为了实现最佳效率,它需要尽量减少所需电源轨道的数目。

处理器

为该应用选择微控制器时,用电量和处理能力是最重要的决定因素。应该采用一种系统分区策略来决定哪些系统功能最好要集成到微控制器中,哪些则可以从外部处理。因为可穿戴健康设备对读取身体信号,所以任何片上数据模拟电路的功能也要考虑在内,方可确保它们能准确处理低级身体信号。

对于微控制器而言,提供2种通用低功耗策略:

一种微控制器中包含所需要的全部或大部分精密模拟电路;

另一种低成本微控制器不具备精密模拟功能。

如果选择了成本较低的微控制器,精密信号转换必须在外部信号处理链上进行,以数字方式将传感器信号输入到微控制器中。超小、高精度、低功耗模拟电路可用来支持该选项。

可穿戴应用最常用的微控制器采用针对低功耗进行了优化的ARM架构。根据器件处理要求的不同,处理器将介于16位到32位之间。处理器将整合多个功耗模式,系统软件会具有可编程关断和基于传感器的唤醒功能。

传感器和传感器接口

许多传感器可用于监测可穿戴器件内的身体信号。用于获取身体信号的传感器技术已问世多年,但直到最近才可以利用传感器提供良好的信号,而无需消耗大量功率。

传感器技术可用于测量

血氧

心率

ECG/EKG

压力

温度

来自这些传感器的电输出非常小,在毫伏范围内。然而,许多这些常见传感器已在单个封装内整合了放大和转换电路,这样它们就可以输出更高级的模拟信号或者串行化数字信号。这些传感器的接口电路专门用于超低功耗操作。

至于心电图传感器,这些基本上都是物理皮肤接触,采集皮肤区域周围极小的电场并将信号传输到EKG信号链上。低成本可穿戴心电图仅限于2至3个接触点,并且不提供有9至11个传感器分散在身体各处并附于战略点上、成本较高的专业ECG/EKG系统的分辨率。

通信

现代可穿戴器件一般全都提供一个微型USB端口,用于海量数据传输、固件更新和电池充电。此外,许多可穿戴健康产品采用低功率无线收发器,以便在使用该设备的过程中实时发送和接收数据。无线传输允许数据传输到更大的显示屏或者远程数据采集设备上。低功耗蓝牙就是用于该目的的新兴标准。此外,NFC(近场通信)提供范围有限的无线连接,非常适合短内容传输,如配置信息和记录的数据检索。

Maxim MAX66242安全RFID标签可以验证用户身份,从而通过NFC只接受来自于已验证源的通信。

用户接口

可穿戴产品的用户界面会根据所需功能的变化而变化。低功耗设计至关重要,所以显示器尺寸要最小化。根据产品的不同,用户界面将包括1个单行LCD显示器与几个控制按钮。需要显示更多信息的产品会具有1个低功耗TFT显示器,很有可能包含触摸屏功能。

由于处理能力已变得如此便宜而又功能强大,所以许多可穿戴器件最终可能会具有语音命令接口。

主要元器件

健康测量微控制器MAX32600

MAX32600微控制器基于工作频率高达24MHz的行业标准ARM Cortex-M3 32位RISC CPU。它包含256KB闪存、32KB SRAM、1个2KB指令缓存和集成式高性能模拟外设。

MAX32600采用192焊球12mm&TImes;12mm CTBGA 120焊球7mm&TImes;7mm CTBGA和108焊球WLP封装。

除了Maxim提供免费的工具,MAX32600还支持IAR的嵌入式Workbench。IAR嵌入式Workbench在1个IDE内整合了1个编译器、1个汇编程序、1个连接器和1个调试器。它简便易用,提供了先进、高效率优化功能,与硬件、RTOS产品和中间件高度集成。面向ARM的IAR嵌入式Workbench提供几种版本,包括专门用于ARM Cortex-M内核系列的产品套装。

MAX32600主要特性

集成式AFE能够以最少的分立器件实现精密健康测量

具有输入多路复用器和PGA的16位ADC

转换率:高达500ksps

具有1、2、4和8增益与旁路模式的PGA

差分8:1或单端16:1输入多路复用器

用于测量VDDA3的内部多路复用器输入

内部或外部参考电压

用于ADC和DAC的可编程缓冲器

两个12位DAC和2个8位DAC

四个运算放大器

四个低功耗比较器

四个通用SPST模拟开关

四个接地开关

八个100毫安LED驱动器对(吸收器)

内部温度传感器

利用可信保护单元保护宝贵的知识产权和数据

面向端对端安全的可信保护单元

AES硬件引擎

面向ECDSA和RSA的µMAA

硬件PRNG

用于安全密钥存储的快速擦除SRAM

业界最低的总系统功率延长了电池寿命

175µA/MHz有效功率,从缓存执行代码

低功耗模式0(LP0)电流:低于1.0µA

多种电源管理模式,可优化功耗

外设时钟控制

6通道DMA引擎支持在Micro处于睡眠模式时进行智能外设操作

MAX32600应用

血糖测量

皮肤电反应测量

脉搏血氧测量

可穿戴医疗器械

32位ARM健康传感器AFE

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图2 MAX32600功能框图

超低功耗立体声音频codec MAX98091

MAX98091是一款全面集成的音频编解码器,其性能高、功耗超低、尺寸小,是便携式应用的理想之选。

该器件采用高度灵活的输入方案,具有六个输入引脚,可配置为模拟或数字麦克风输入、差分或单端线路输入或者满标直接差分输入。模拟输入可发送给录制路径ADC或者任何模拟输出混频器。

该器件接受的主时钟频率为256&TImes;FS或10MHz~60MHz。数字音频接口支持主或从模式操作、8kHz~96kHz的采样率和标准PCM格式,例如I²S、左/右对齐和TDM。

录制/回放路径采用FlexSound技术DSP。这包括数字增益和滤波、双二阶滤波器(录制)、动态范围控制(回放)和七频段参数均衡器(回放),可以通过优化频率响应来提升扬声器性能。

立体声D类扬声器放大器可高效放大,具有低辐射发射,支持无滤波操作,可以驱动4Ω和8Ω负载。DirectDrive立体声H类耳机放大器提供了接地参考输出,从而省去了大容量隔直流电容。该器件还包含1个差分接收器(耳机)放大器,它可以重新配置成一个立体声单端线路输出。

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图3 MAX98091简化框图

MAX98091主要特性

102分贝DR立体声DAC

立体声回放功耗:4.1mW

99分贝DR立体声ADC

立体声录制功耗:4.5mW

3个立体声单端/差分模拟麦克风/线路输入

两个PDM数字麦克风输入

主时钟频率:256&TImes;FS或10MHz~60MHz

I2S/LJ/RJ/TDM数字音频接口

FLEXSOUND技术信号处理

录制路径双二阶滤波器

回放路径7频段参数均衡器

回放路径自动电平控制

数字滤波和增益/电平控制

立体声低EMI D类扬声器放大器

3.2W/通道(RL=4Ω,VSPKVDD=5V)

1.8W/通道(RL=8Ω,VSPKVDD=5V)

立体声DirectDrive H类耳机放大器插孔检测和识别

差分接收器放大器/立体声线路输出

大量噪声抑制电路

RF抗干扰模拟输入和输出

可编程麦克风偏压

I2C控制接口

56凸点0.4mm WLP和48引脚6mm×6mm×0.75mm TQFN封装

MAX98091应用

智能手机

平板电脑

低功耗超精度6+3DoF IMU(惯性测量单元)MAX21100

MAX21100是一款单片式3轴陀螺仪+3轴加速度计惯性测量单元(IMU),具有集成式9轴传感器融合,采用专用运动合并引擎(MME),适于手机和平板电脑应用、游戏控制器、移动遥控器和其他消费类器件。

MAX21100是业界最准确的6+3DoF惯性测量单元,采用3mm×3mm×0.83mm封装,可由电压低至1.71V的电源供电。可以通过专用I²C Master连接外部磁力计。内部运动合并引擎(MME)可以灵活配置,以获得最合适的精度-功率折中。

MAX21100采用16引脚塑料连接盘网格阵列(LGA)封装,工作温度范围为-40℃~+85摄氏度。

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图4 MAX21100功能框图

MAX21100主要特性

全面集成的低功耗运动合并引擎利用超快速低功耗(50µA)Maxim专有算法执行精密9DoF传感器融合,具有:

四元数输出

重力和航向输出

加速度计(高达2kHz)和陀螺仪(高达8kHz)的高输出数据率(ODR)

陀螺仪(250/500/1000/2000DPS)和加速度计(2/4/8/16G)的4个可选满标度

I²C标准(100kHz)、快速(400kHz)和高速(3.4MHz)串行接口/10MHz SPI接口

具有多种FIFO模式的128字节(64×16位)嵌入式FIFO

唯一的48位序列号充当晶片ID

电流:5.65mA(低噪声模式下)和3.45mA(节能模式+MME活动下)

掉电模式下的电流消耗:1.2µA

从掉电模式接通需45ms和从待机模式接通需4ms

在整个温度和时间范围内均具有高稳定性:偏置稳定性为4°/小时

高抗冲击能力(10,000g耐冲击)

MAX21100应用

家电和机器人

GPS和惯性导航系统

健康和运动监控

具有HMI(人机界面)的运动控制

基于运动的3D鼠标和3D遥控器

基于运动的游戏控制器

光学/电子图像稳定器

微型2.1mmX1.6mm低功耗12位ADC MAX11108

MAX11108是一款微型(2.1mm×1.6mm)、12位、紧凑型、高速、低功耗、逐次逼近模拟/数字转换器(ADC)。这款高性能ADC包括高动态范围采样/保持电路和高速串行接口。ADC接受0V至电源电压或基准电压的满量程输入范围。

MAX11108具有一路单端模拟输入,连接至ADC核心电路。器件还为数据接口提供独立的电源输入,并带有专用的基准电压输入。

MAX11108的“通信”电压范围为1.5V~VDD,工作电压为2.2V~3.6V。在3MSPS下,该器件仅消耗6.6mW功率,包含全掉电模式和快速唤醒,实现了最佳电源管理,具有高速3-wire串行接口。3-wire串行接口直接连至SPI/QSPI/MICROWIRE器件,无需外部逻辑。卓越的动态性能、低电压、低功耗、易用性和极小的封装尺寸使该转换器非常适于便携式电池供电数据采集应用以及需要低功耗和最小空间的应用。MAX11108采用ultra-TQFN(2.1mm×1.6mm)封装,工作温度范围为-40℃~+125℃。

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图5 MAX11108应用电路

MAX11108主要特性

紧凑型ADC节省空间

单端模拟输入12位分辨率ADC

3MSPS转换率,无流水线延迟

73dB SNR

10引脚Ultra-TQFN(µDFN)2.1mm×1.6mm封装

低功耗延长了电池寿命

6.6mW@3MSPS

功耗非常低:2.5µA/ksps

掉电电流:1.3µA

电源电压范围:2.2V~3.6V

可变I/O电压范围:1.5V~3.6V

轻松连接微控制器

SPI/QSPI/MICROWIRE兼容串行接口直接连至1.5V、1.8V、2.5V或3V数字系统

MAX11108应用

电池供电系统

通信系统

仪器仪表数据采集

医疗器械

移动

便携式数据记录

可穿戴充电管理方案MAX14676/14676A

MAX14676/MAX14676A是电池充电管理解决方案,是低功耗可穿戴应用的理想之选。这些器件包括1个带有智能电源选择器™的线性电池充电器、ModelGauge电量表和几个功率优化外设。它们具有静态电流为900nA(典型值)、效率为74%、输出为10µA的超低功耗降压稳压器。

电池充电器提供智能电源选择器操作,可以在电池没电时继续运行。它会寄存器设置限制输入电流。如果充电器电源无法为整个系统负载供电,那么智能电源控制电路就会利用来自电池的电流补充系统负载。

MAX14676/MAX14676A嵌入了Maxim专有ModelGauge电量计,以准确估计可充电锂电池的可用容量。

MAX14676/MAX14676A包含1个同步高效率降压转换器。该器件采用固定频率PWM模式来实现更严格的调节,利用突发模式来提高轻负载操作期间的效率。

MAX14676/MAX14676A具有1个升压稳压器和3个可编程电流吸收器,可用于驱动各种LED配置。从电流吸收器独立控制升压转换器,并且它们也可以单独使用。

MAX14676/MAX14676A具有电源开关控制器,允许通过按钮开启和关闭器件。该控制器还提供延迟复位信号和电压测序。

这些器件采用42凸点、间距0.5mm、3.497mm×3.118mm晶圆级封装(WLP)。

MAX14676/MAX14676A主要特性

延长了电池充电之间的系统使用时间

1.8V低IQ200毫安降压稳压器

静态电流:0.9µA(典型值)

自动突发或强制PWM模式

具有准确充电状态的ModelGauge

易于实现的锂离子电池充电

智能电源选择

28V输入容限

热敏电阻监控器

通过高集成度将电源管理管脚最小化

3.2V低IQ100毫安LDO

2.0V持续开机50µA LDO

+5V安全输出LDO

6.6V低IQ120µA电荷泵

支持各种显示选项

5V~17V输出升压转换器

3通道可调高压电流吸收器

优化了系统控制

按钮实现了超低功耗模式和加电电压排序

I2C控制

MAX14676/MAX14676A应用

健康监控器

GPS手表

便携式医疗设备

可穿戴电子产品

 

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图6 MAX14676/MAX14676A典型应用电路

 

来源:中电网