電源管理對(duì)便攜式裝置有多重要

引言

全球范圍內(nèi)有很高比例的成人需要定期監(jiān)測個(gè)人生命體征(即血糖、血壓、血氧飽和度)。自然而然地，我們看到對(duì)便攜式醫(yī)療裝置的需求越來越旺盛，這種醫(yī)療裝置可實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，甚至集成更多功能。而且這種趨勢不會(huì)停止。

體積、重量、可靠性、安全性以及功耗是設(shè)計(jì)現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在典型的便攜式醫(yī)療裝置一般需要多種宏模塊：處理電源的電源管理電路，無論是一次性還是可充電電池;模擬前端(AFE)，用于將傳感器的信號(hào)調(diào)制并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);微控制器，用于對(duì)采集信號(hào)執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算，在集成LCD屏幕上顯示信息，或者將數(shù)據(jù)發(fā)送至有線/無線裝置。實(shí)現(xiàn)所有這些功能一般需要使用不同的分離式器件。

高效的電源管理對(duì)這些便攜式裝置至關(guān)重要。本文介紹一款單片低功耗片上系統(tǒng)(SoC)，既適合用于使用一次性電池(紐扣電池或堿性電池)的便攜式醫(yī)療裝置，又適合用于使用可充電電池供電的醫(yī)療裝置。我們還將討論第二款設(shè)計(jì)，其中可增加電源管理IC (PMIC)，以支持附加裝置功能。

在介紹這兩種方案之前，我們需要首先了解典型的分立式設(shè)計(jì)。然后討論轉(zhuǎn)向集成式方案、在不影響功率預(yù)算的情況下提高性能所帶來的好處。我們也研究節(jié)省空間、最大化功率利用、利用 USB連接提高安全性的新型集成電路。我們也將了解一下將現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置連接至智能電話是多么簡單，以及如何擴(kuò)展應(yīng)用范圍和使用看起來無限的數(shù)據(jù)。

分立式方案的復(fù)雜性、成本和空間

我們的討論首先從簡單回顧分立式電源方案的典型功能方框圖開始(圖1)。電池管理電路包括電池隔離器、電池充電器、電量計(jì)、背光照明電源以及線性/開關(guān)穩(wěn)壓器。AFE通常要求ADC、DAC、運(yùn)放、比較器、模擬開關(guān)和電壓基準(zhǔn)。使用如此多的分立式器件會(huì)潛在影響系統(tǒng)可靠性，同時(shí)也毫無疑問地增加成本和電路板空間。

圖1. 便攜式醫(yī)療設(shè)備中使用眾多分立式元件的基本電源方案方框圖。

集成式方案具有較高性能

現(xiàn)在，有一種新型雙芯片集成式方案，包括微控制器SoC和PMIC，提高總體性能(圖2)。我們接下來將介紹SOC和PMIC。

圖2. 使用MAX32600微控制器SoC和PMIC的集成式方案簡化設(shè)計(jì)并提高性能。

安全的醫(yī)療微控制器SoC

MAX32600微控制器SoC (圖3)基于Cortex

M3核心，具有高性能模擬前端(AFE)，集成先進(jìn)的安全信賴保護(hù)，不同于競爭對(duì)手的電源方案。有線和無線通信接口為用戶將醫(yī)療裝置連接至其它便攜式主機(jī)，例如PDA或智能手機(jī)，提供了多種選擇。

圖3. 高度集成的微控制器SoC優(yōu)化用于便攜式醫(yī)療設(shè)備，具有AFE和信賴保護(hù)單元的高安全性。有線外設(shè)提高了系統(tǒng)靈活性，多種電源管理模式節(jié)省功耗。

AFE管理模擬功能

AFE核包括一個(gè)SAR ADC，ADC具有500ksps高采樣率和16位分辨率，在輸入信號(hào)帶寬受限的情況下，能夠通過過采樣和平均方法提高分辨率。實(shí)際上，過采樣和平均法提高了SNR，從而獲得附加分辨率位數(shù)。對(duì)于每個(gè)附加分辨率位，必須以因子4對(duì)信號(hào)進(jìn)行過采樣。

fOS= 4w × fS (式1)

式中：

w為相應(yīng)附加分辨率位的數(shù)量

fS為相應(yīng)的原始采樣頻率

fOS為過采樣頻率

ADC可配置為以一定間隔收集陣發(fā)數(shù)據(jù);通過存儲(chǔ)器直接訪問(DMA)將數(shù)據(jù)保存至SRAM;然后喚醒處理器。ADC的接口提供可編程陣發(fā)采樣率(TS獨(dú)立于TS_avg)以及可編程平均陣發(fā)長度(2、4、8、16、32、64、128)。

通過可配置的單端/差分多路復(fù)用器，可以選擇輸入信號(hào)類型。ADC前端為差分放大器，具有可編程增益：1、2和4。基準(zhǔn)電壓可設(shè)置為1.0V、1.5V、2.0V和2.5V，將動(dòng)態(tài)范圍最大化。四個(gè)具有比較器模式的不限特定用途運(yùn)放和四個(gè)SPST開關(guān)可用于附加信號(hào)調(diào)理。

兩個(gè)12位DAC、兩個(gè)8位DAC、一個(gè)附加電壓基準(zhǔn)(與前一個(gè)相同，也可編程)、一個(gè)溫度傳感器(可使用內(nèi)部或外部PN結(jié))以及用于驅(qū)動(dòng)LED的可編程流入電流源進(jìn)一步完善模擬設(shè)計(jì)。

插值濾波器(1:2、1:4和1:8)(圖4)可用于12位DAC和8位DAC，以提高動(dòng)態(tài)性能、降低總線帶寬。

圖4. 插值濾波器提高DAC的動(dòng)態(tài)性能

可以將DAC碼型的開始與ADC采樣同步，有利于使用數(shù)字波形合成和同步電路(用于相干波形發(fā)生和ADC數(shù)據(jù)捕獲)測量阻抗(圖5)。

圖5. 用于阻抗測量的信號(hào)處理方框圖。

信賴保護(hù)單元提供必不可少的安全性

嵌入式安全對(duì)于保護(hù)醫(yī)療裝置的數(shù)據(jù)完整性至關(guān)重要。閃存和SRAM可利用內(nèi)部電池備份存儲(chǔ)器中的密鑰進(jìn)行加密，從而保護(hù)SoC固件。通過嵌入式加密電路提供器件安全認(rèn)證，適合于對(duì)稱和非對(duì)稱加密方法。

關(guān)于嵌入式安全、加密、私鑰和公鑰的著作有很多，此處不再贅述。我們想強(qiáng)調(diào)的是MAX32600支持AES加密和ECDSA安全認(rèn)證1。觸發(fā)集成式動(dòng)態(tài)篡改檢測器時(shí)，系統(tǒng)的公鑰和私鑰將被銷毀。系統(tǒng)的FIPS認(rèn)證偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可經(jīng)受和防止安全攻擊。使用獨(dú)立的內(nèi)部異步環(huán)形振蕩器防止定時(shí)攻擊。

低功耗至關(guān)重要

多種集成方法節(jié)省功耗。SoC采用低至2.2V的電壓工作，對(duì)于使用一次性電池供電的便攜式醫(yī)療裝置，這是一項(xiàng)非常大的好處。嵌入式內(nèi)核在24MHz時(shí)的工作電流為175µA/MHz，具有使能實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的1.8µA低功耗模式，具有多種節(jié)省功耗的電源管理模式。關(guān)斷處于非工作狀態(tài)外設(shè)的選項(xiàng)甚至可節(jié)省更多功耗。

6通道DMA控制器支持外設(shè)在微控制器處于休眠模式時(shí)工作。在這種方式下，ADC可設(shè)置為掃描輸入通道、捕獲數(shù)據(jù)，只在需要處理時(shí)喚醒內(nèi)核。

有線外設(shè)增加接口靈活性

嵌入式外設(shè)提供實(shí)現(xiàn)便攜式醫(yī)療裝置所需的全部功能。帶有物理接口(PHY)的USB2.0全速控制器允許直接連接USB電纜，降低電路板空間和總體系統(tǒng)成本。集成電壓調(diào)節(jié)器支持在連接至USB主機(jī)時(shí)在主電源和VBUS之間智能切換。該功能對(duì)于VDD電源為電池的系統(tǒng)尤其有利。

多達(dá)三個(gè)SPI主機(jī)UART支持與多個(gè)外設(shè)從機(jī)進(jìn)行同步通信，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)到高達(dá)24MHz。DMA具有發(fā)送和接收緩沖器。兩個(gè)I²C總線主機(jī)/從機(jī)接口支持與各種各樣支持I²C接口的外設(shè)進(jìn)行通信。支持主機(jī)和從機(jī)協(xié)議。兩個(gè)同步/異步接收器/發(fā)送器(USART)端口支持全雙工異步或半雙工同步通信。

可選無線外設(shè)增加無外部線纜連通性

Bluetooth

v4.0低功耗從機(jī)覆蓋2.400GHz至2.4832 GHz RF頻率范圍，可用于連接人工胰腺應(yīng)用中的血糖傳感器和胰島素泵。免費(fèi)提供帶有醫(yī)療說明的源代碼：http://content.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/8425/t/do#Software%2FModels。

ISM四頻段收發(fā)器(315、433、868和915MHz)支持FFSK、FMSK、AFSK調(diào)制，以及多種帶有快速喚醒的休眠模式。

電源方案增加了可充電醫(yī)療裝置的安全性且節(jié)省空間

我們現(xiàn)在討論由外部可充電電源供電的便攜式醫(yī)療裝置。MAX14663PMIC (圖6) 集成鋰離子(Li+)開關(guān)充電器，是針對(duì)空間受限便攜式醫(yī)療裝置進(jìn)行優(yōu)化的電源方案;與MAX32600微控制器SoC配合使用時(shí)，最大限度提高功率，節(jié)省寶貴的設(shè)計(jì)空間，以及增加附加功能。我們在上文中已經(jīng)介紹了MAX32600SoC，現(xiàn)在我們討論MAX14663的電池管理和USB連接功能。