醫(yī)療健康可穿戴產(chǎn)品成為下一波潮流，ADI帶來突破性的模擬前端和電源芯片

1   可穿戴醫(yī)療健康產(chǎn)品興起

據(jù)Yole 2020年發(fā)表的報告顯示，醫(yī)療健康可穿戴產(chǎn)品的市場規(guī)模從2019年的3.47億件，會持續(xù)增長到2025年的7.54億件，復(fù)合年均增長率14%。主要驅(qū)動力是醫(yī)療和消費類穿戴市場。而這兩大驅(qū)動力都有共同的潛在需求——對多項關(guān)鍵生命體征的監(jiān)測，這對相關(guān)系統(tǒng)和芯片供應(yīng)商來說是一次非常大的機遇。

2    用于遠(yuǎn)程健康監(jiān)護的穿戴設(shè)備特點

ADI的遠(yuǎn)程醫(yī)療和關(guān)鍵生命體征監(jiān)護IC產(chǎn)品定位主要包括三類：遠(yuǎn)程監(jiān)測患者；預(yù)測、預(yù)防性監(jiān)測；慢病管理。

他們的應(yīng)用案例很多，意義重大。

例如，腕式穿戴設(shè)備可用來檢測心率失常、房顫。戒指形的穿戴設(shè)備可以全天無感知地監(jiān)測生命體征。佩戴在胸腔上的體戴式醫(yī)療貼片能檢測多種類型的心率失常疾病。

慢病醫(yī)療花銷最大，通過遠(yuǎn)程病人監(jiān)護系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)及管理患者，預(yù)防病情惡化，減小或消除昂貴的住院治療費用。例如，可穿戴設(shè)備可以連續(xù)監(jiān)測慢性阻塞性肺病（COPD）呼吸疾病，該疾病從全球來看影響著超過2.51億人的生活。

另外，像睡眠窒息癥影響著近10億成年人的睡眠，遠(yuǎn)程病人監(jiān)護可以準(zhǔn)確地反饋治療策略的有效性，從而有效減小病癥對生活的影響。

3   傳統(tǒng)醫(yī)療與時尚消費正在融合

對于更多的普通人，越來越青睞可穿戴產(chǎn)品的健康追蹤功能。實際上，現(xiàn)在健康監(jiān)測逐漸從醫(yī)院、診所轉(zhuǎn)向每個人家里的醫(yī)櫥。醫(yī)櫥是一個象征性的idea，意味著人們逐漸有意識地去使用穿戴式產(chǎn)品來追蹤各項體征數(shù)據(jù)，例如心率、血氧飽和度、最大涉氧量等數(shù)據(jù)，并作為他們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧?/p>

越來越多的人意識到了這些新興醫(yī)療器件能為他們的生活帶來各種好處，而不是像以前一樣不斷地去醫(yī)院咨詢醫(yī)生。他們正在用這種前所未有的方式獲取各種健康信息，以更積極的方式來了解自己的健康狀況。

傳統(tǒng)的時尚生活和消費電子的品牌正在向他們的電子設(shè)備中加入更多的醫(yī)療追蹤功能以獲得更大的市場占有率。

與此同時，傳統(tǒng)的醫(yī)療器件廠商也在積極制造看起來非常時尚、外觀上看上去更像是消費電子類的設(shè)備。所以這兩個市場正在逐漸靠攏融合，一起來為我們完成日常生活健康追蹤而服務(wù)的任務(wù)。

4   突破性的模擬前端和電源芯片

便攜式醫(yī)療和消費產(chǎn)品需要功能豐富且性能強大的芯片。以遠(yuǎn)程監(jiān)護貼片的系統(tǒng)框圖為例，需要如下圖的組成部分。高性能模擬芯片廠商ADI圖中綠色部分的芯片。

為了滿足可穿戴市場對模擬/電源產(chǎn)品的更高性能的要求，近日，Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI)帶來了兩款突破性的新產(chǎn)品：①MAX86178，是臨床級的模擬前端（AFE），集成了3個完整的測量系統(tǒng)。② MAX 77659，是電源/電池管理IC，帶有突破性的低功耗單電感多輸出（SIMO）技術(shù)。

1）模擬前端的集成度越來越高

MAX86178是臨床級的模擬前端（AFE），集成了3個完整的測量系統(tǒng)：光學(xué)、心電和生物阻抗(BioZ)（如下圖），可以實現(xiàn)4項關(guān)鍵生命體征的測量：心電圖（ECG或EKG），心率測量法(或光學(xué)PPG測量法)，通過生物阻抗測量呼吸率，通過光學(xué)PPG測量的SpO₂血氧飽和度。

圖 上面是生物阻抗檢測部分，中間是ECG的測量框圖，最下面是PPG的測量

MAX86178的3個子系統(tǒng)性能強大。

①ECG（心電部分）。模擬前端（AFE）可以做到臨床等級的ECG測量，滿足IEC60601-2-47的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，即移動式ECG監(jiān)測的一個標(biāo)準(zhǔn)。

②PPG（光電容積圖）。PPG可以做到臨床等級的血氧檢測，性能可達(dá)113 dB信噪比。

③BioZ(生物阻抗)。設(shè)計靈活的生物阻抗配置可以支持多種動能的測量，包括ICG，BIA、BIS、GSR/EDA監(jiān)測。

可見，MAX86178的多功能可以使客戶的多項生命體征檢測系統(tǒng)的設(shè)計可以更快地上市。而且相比分立方案，MAX86178的解決方案尺寸可以更小，而且采集信號可以實現(xiàn)和光學(xué)PPG和心電ECG系統(tǒng)的同步。另外，MAX86178可以支持多種電源配置，支持針對每個特定的用戶場景進行功耗優(yōu)化。而且MAX86178的尺寸只有2.6 mm×2.8 mm。

那么，相比之前發(fā)布過MAX86176，新產(chǎn)品的改進之處是什么？工業(yè)與醫(yī)療健康事業(yè)部醫(yī)療健康產(chǎn)品線總經(jīng)理Andrew Baker稱，前者是PPG和ECG二合一功能的模擬前端，與后者最大的區(qū)別在于后者里新加了生物電阻抗（BioZ）的測量，可以做到更多的BioZ生物阻抗的頻幅掃描，或者EDA等應(yīng)用；另外，對于ECG和PPG也有一定的改進。ECG更適合于干電極的應(yīng)用，PPG在信噪比上也有一些提升。

圖 Maxim Integrated(現(xiàn)已并入Analog Devices)工業(yè)與醫(yī)療健康事業(yè)部醫(yī)療健康產(chǎn)品線總經(jīng)理Andrew Baker

2）多軌電源/電池管理芯片只需1個電感

Maxim Integrated(現(xiàn)已并入Analog Devices)電池電源方案事業(yè)部執(zhí)行總監(jiān)Karthi Gopalan介紹了可穿戴產(chǎn)品設(shè)計的挑戰(zhàn)。

●   舒適度性。因為用戶需要佩戴這些設(shè)備很長時間，而且他們需要這些設(shè)備輕薄小巧，而且溫度不能升高。

圖 Maxim Integrated (現(xiàn)已并入Analog Devices)電池電源方案事業(yè)部執(zhí)行總監(jiān)Karthi Gopalan

●   數(shù)據(jù)測量的精度。這些數(shù)據(jù)必須要精確、真實地反應(yīng)用戶的身體狀況，用戶才會更愿意使用。

●   電池的續(xù)航能力。因為用戶不希望反復(fù)擔(dān)心他們的電池是否沒電了，反復(fù)地進行充電。

●   充電時間。如果電池已經(jīng)沒有電了，我們又急著想要用，那么快速充電就是非常急需的功能。

●   全方位數(shù)據(jù)。除此之外，集成更多的監(jiān)測功能，對于這些原始數(shù)據(jù)的處理和解讀也是系統(tǒng)工程師需要思考和解決的問題。

下圖展示了傳統(tǒng)及未來的解決方案。①左邊是傳統(tǒng)的解決方案，可以看到有一些傳感器在里面，會使用1個傳統(tǒng)的電源管理芯片和幾個獨立的穩(wěn)壓器來對設(shè)備中的各個功能單元進行供電。這樣一般會用功率較小的充電器，因為這些芯片占有的體積相對較大。

②右邊的解決方案能放進更多的傳感器，諸如GPS、BioZ、音頻等。實際上，在下一代可穿戴的產(chǎn)品中，會需要更多的傳感器來支持更多的功能，需要更強大的AI處理芯片，這都對電源芯片提出了更高的要求。例如更精確的GPS、音頻和觸屏反饋，需要電源方面能夠提供穩(wěn)定的電壓、電流，使這些傳感器的信噪比不受影響。更快的充電系統(tǒng)方面，需要1個開關(guān)模式的充電器。而所有這些功能都需要塞進一個非常小巧輕薄的隨身設(shè)備中！

為此，Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI)推出了低功耗單電感多輸出（SIMO）技術(shù)，可以滿足以及超越以上所提到的所有需求。MAX 77659是該公司最新推出的SIMO架構(gòu)芯片。在傳統(tǒng)芯片中，如果需要3路的開關(guān)模式電源的輸出以及1個開關(guān)模式的充電，至少需要4個電感，而電感通常是電源方案中外部最大的被動元件。在MAX 77659里，這3路開關(guān)模式的輸出以及1路開關(guān)模式的充電共用1個電感（如下圖），這樣將物料清單減少了60%，同時總電源解決方案尺寸減小50%。

另外，相對于市場上現(xiàn)有的其他電源管理芯片，MAX77659可以為可穿戴設(shè)備、耳戴式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供4倍的充電速度。通過Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI)的測試，在短暫充電10 min后，芯片就可以為產(chǎn)品提供4 h的運行時間。

以助聽器充電為例，來說明為什么能達(dá)到4倍的充電速率。典型的助聽器電池容量一般在（30~60）mA·h，當(dāng)電池接近耗盡的時候，電池電壓約為3 V，這時會希望用2C、3C的電流來為電池充電，以便更快地用上這個助聽器。

然而如果電池電壓只有3 V，線性充電器的效率會非常低，產(chǎn)生的熱量也較多。而且為了做到防塵防水，設(shè)備一般是密封的，所以充電產(chǎn)生的熱量會被包裹在設(shè)備內(nèi)部，無法向外散熱。

升高的溫度會觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的安全充電保護，使充電速率大幅度降低。ADI的MAX77659帶有自主的裕量跟蹤功能，能夠在同樣的工作條件下，使快速充電產(chǎn)生的熱量顯著降低。

如下圖，在同樣的條件下對2個電池進行充電，2個電池都維持在3 V左右。上面那個目前的解決方案是采用現(xiàn)有的用線性充電器來充電的，可以看到，數(shù)據(jù)采集是在充電開始后30 s，最起始的位置溫度約為30 ℃，您能看到30秒以后，芯片的溫升已達(dá)25 ℃，這會觸發(fā)保護功能，從而降低充電速率。

而下面的MAX77659能夠提供的性能狀況非常良好?？梢钥吹狡鹗嘉恢猛瑯邮窃?0℃，30 s進入充電過程之后，芯片溫度依然維持在37 ℃以下，因此能讓充電速度更長時間地保持在2C~3C的速率，進而大幅縮短充電所需的時間。

5   穿戴產(chǎn)品設(shè)計的難點是什么

1）模擬前端。在加入更多的傳感器設(shè)計的時候，會考慮到需要用哪些通道，哪些信號的類型需要怎樣去相互干擾的特性。另外，在系統(tǒng)設(shè)計時也可能會考慮到多個信號的同步，例如在測量ECG、PPG等多種信號時，對于某些衍生的生命體征的算法開發(fā)也會考慮到嚴(yán)格的時鐘同步。

一些生命體征指數(shù)，例如怎樣去提升穿戴產(chǎn)品的血氧測量？例如在手腕上測血氧，人的血流信號是從弱到強分布很廣，對于有些人，或者在某些場景下，他們的血流灌注指數(shù)（PI）非常低。在這種情況下，模擬前端需要非常高的信噪比來實現(xiàn)相對精準(zhǔn)的測量。

ECG在穿戴產(chǎn)品設(shè)計里也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，對于干皮膚的測量，冬天在比較干燥的北方，或者在空調(diào)房間里，皮膚可能極度干燥，這種情況下較難測量。

對此，MAX86178以及之前的MAX86176有相關(guān)的解決方案和設(shè)計指南，可在多場景下達(dá)到醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

2）電源。在系統(tǒng)設(shè)計時需要非常慎重地考慮到供電。因為對于這些模擬前端，要有非常干凈的電源，以便在測量這些生物傳感的體征時，系統(tǒng)上的噪聲盡量減小。

MAX77659的優(yōu)勢是：客戶無需擔(dān)心傳統(tǒng)的解決方案之間各個元件之間的配置問題。因為內(nèi)部已做過非常多的測試，像對于信號完整性要求比較高的這種醫(yī)療的傳感器是其中一類；還有GPS，音頻的設(shè)備等，對于信號的完整性要求是比較高的。客戶開始會覺得這是一個新架構(gòu)，他們會比較保守，想用他們已經(jīng)知道的，而為了展現(xiàn)SIMO是非常可靠的解決方案，對于音頻、醫(yī)療、GPS等應(yīng)用都做過大量測試。

還有另外一個需要說明的點是，如果某一個功能元件對電源的要求非常敏感， MAX77659也提供了一個LDO來額外地提供PSRR（電源抑制比），能夠大幅度降低噪聲等。

再有，Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI)已經(jīng)給很多這類客戶提供了數(shù)以百萬計的產(chǎn)品，有豐富的經(jīng)驗和穩(wěn)定的產(chǎn)品。

5   客戶可做出差異化的產(chǎn)品

1）傳感器、模擬前端/MAX86178角度，客戶可以做很多差異化的地方。例如在做PPG的光學(xué)設(shè)計上可以有非常大的靈活度，客戶可以根據(jù)自己的產(chǎn)品ID(Industrial Design)、產(chǎn)品外觀設(shè)計需求去調(diào)整光學(xué)設(shè)計。ECG方面，可以通過不同的電極設(shè)計、電極尺寸、電極材料等去做差異化。

更重要的一點是，盡管基于同一MAX86178模擬前端，數(shù)據(jù)的分析以及做不同的云端分析也可體現(xiàn)差異化。因為生命體征可以用在不同的應(yīng)用場景，有不同的云端服務(wù)。

2）從電源/MAX77659的角度。因為SIMO提供了多路輸出，能使客戶更加靈活地決定要加入什么樣的功能，例如對于特定的應(yīng)用場景，如果經(jīng)常運動的人，可能運動時出汗較多，產(chǎn)品可能做防水設(shè)計；對于老年人也有不同的需求。

6   小結(jié)

可穿戴醫(yī)療設(shè)備的未來正在加速到來，這種監(jiān)護設(shè)備尺寸更小，功能更先進。MAX86178這樣的三合一系統(tǒng)用單芯片完成了4項生命體征的采集，使心電圖、心率、血氧飽和度、呼吸率的采集系統(tǒng)變得更精簡。這4種生命體征的監(jiān)測讓疾病預(yù)防以及慢病管理變得觸手可及，讓醫(yī)療健康更加個人化。

未來的發(fā)展是以患者為中心的衛(wèi)生系統(tǒng)時代。全球范圍內(nèi)的趨勢是護理系統(tǒng)從碎片化，往更融合、移動、快捷的醫(yī)療保障系統(tǒng)的方向轉(zhuǎn)變。MAX77659突破性的集成了內(nèi)置開關(guān)模式的充電體系，可以為醫(yī)療保健系統(tǒng)的設(shè)備減少60%的物料清單。ADI完整的電源方案包括了充電器，開關(guān)模式的輸入，以及LDO、GPIO等，不僅提供了電力還能使充電速度提高4倍。該高度集成的方案能將電源的解決方案尺寸縮小50%，使系統(tǒng)工程師能更容易設(shè)計出更多傳感器功能更加豐富，且外觀更加緊湊的設(shè)備。