便攜式醫(yī)療設(shè)計(jì)中的無(wú)線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)和解決方案 - 全文

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：醫(yī)療行業(yè)渴望獲得多功能和互操作性，當(dāng)然還需要無(wú)線(xiàn)接口，本文將探討無(wú)線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)及其挑戰(zhàn)，包括在采用無(wú)線(xiàn)模塊時(shí)，現(xiàn)在設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)和頻率以及功率考慮事項(xiàng)。使用單節(jié)可充電電池的應(yīng)用將會(huì)是未來(lái)通用終端應(yīng)用產(chǎn)品，如某些血糖儀和脈搏血氧計(jì)之類(lèi)。我們將討論這些趨勢(shì)如何影響醫(yī)療保健行業(yè)。

　　雖然消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用設(shè)備總有一些精通科技（tech-savvy）的用戶(hù)，并可以給他們推薦一系列功能集和附件功能，但是典型的醫(yī)療終端用戶(hù)可能各式各樣，從居家病人到醫(yī)院里照顧嚴(yán)重病人的護(hù)士，兩者均有特定的需求以及所期望獲得的特性。但作為終端設(shè)備，醫(yī)療器材必須可靠和易于使用。滿(mǎn)足上述需求的技術(shù)業(yè)已可用，但更重要的是，這些技術(shù)也經(jīng)過(guò)證明足以滿(mǎn)足這些需求并推動(dòng)當(dāng)前的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。如果設(shè)計(jì)人員了解去哪里尋找合適的技術(shù)和如何應(yīng)用，則手機(jī)技術(shù)是現(xiàn)成的和容易利用的。

　　醫(yī)療移動(dòng)設(shè)備通常具備特定的用途，如脈搏血氧儀或血糖儀，這些設(shè)備完成其核心任務(wù)非常出色。這些便攜設(shè)備演變成具有多傳感器日常任務(wù)以及數(shù)據(jù)趨勢(shì)記錄，在顯示屏有限的小型手機(jī)上保留這些信息并不實(shí)際。有兩種通用方法從手機(jī)或其接口獲取這些數(shù)據(jù)：使用無(wú)線(xiàn)方式或者通過(guò)USB。不久以前，使用的是可移動(dòng)儲(chǔ)存卡，但即使把它們?nèi)∠禄虿迦隤C這樣簡(jiǎn)單的工作也是很麻煩的。

　　無(wú)線(xiàn)趨勢(shì)和解決方案

　　現(xiàn)在醫(yī)用手機(jī)設(shè)計(jì)支持兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：低功率藍(lán)牙（Bluetooth?）和ZigBee?。在無(wú)線(xiàn)醫(yī)療遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)服務(wù)（Wireless Medical Telemetry Service，WMTS）以及工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療（Industrial Science and Medical，ISM）領(lǐng)域，也有一些基于專(zhuān)有技術(shù)的解決方案，其頻帶范圍為400MHz至2.5GHz，當(dāng)然，這仍然屬于移動(dòng)電話(huà)的頻帶。頻帶選擇將取決于應(yīng)用需求以及與接收器的距離遠(yuǎn)近，設(shè)備的尺寸和可用功率也將影響頻帶。不管頻率選擇如何，對(duì)于所有無(wú)線(xiàn)應(yīng)用，功率也是常見(jiàn)的兩難問(wèn)題，但也這是我們從移動(dòng)手機(jī)行業(yè)中利用半導(dǎo)體技術(shù)最多的地方。選擇單節(jié)鋰離子電池作為可充電的電源，以便最好地應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。雖然AA干電池和鈕扣電池也可用，但是它們的低電壓經(jīng)常需要較昂貴的降低/升壓拓?fù)洌业诙娫催x件不是那么普遍。

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)的核心難題是其動(dòng)態(tài)功率需求，無(wú)線(xiàn)收發(fā)器無(wú)法工作在持續(xù)廣播或接收模式下，而是按照應(yīng)用相關(guān)需要以脈沖式數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。正是這種脈沖式工作在電池供電軌（Vbatt）上是最難做到的。將無(wú)線(xiàn)收發(fā)器偏壓通過(guò)電容組直接連接至電池是一種解決方案，但可充電電池有著太大的工作電壓范圍，通常是2.5V 至 4.2V。針對(duì)芯片核心供電軌必須使用DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器。這可使Vbatt保持穩(wěn)定，并且不會(huì)引發(fā)最終連接至Vbatt的傳感器下游發(fā)生欠壓事件，而其可能影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

　　醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能沒(méi)有移動(dòng)功率專(zhuān)家，但在快節(jié)奏的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中仍然希望能夠發(fā)布新的差異性產(chǎn)品，以期增加市場(chǎng)份額。為了省去詳細(xì)的DC/DC設(shè)計(jì)和建模，飛兆半導(dǎo)體針對(duì)使用單節(jié)可充電鋰離子電池運(yùn)行的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，推出完全集成的功率模塊FAN4603。所有輸入電容器、電感器、以及輸出電容器都集成在2.5mm x 4.0mm表面貼裝封裝里。其瞬態(tài)響應(yīng)特性是處理無(wú)線(xiàn)技術(shù)動(dòng)態(tài)功率需求的關(guān)鍵。輸入范圍與可充電電池相符，且輸出固定為1.0V到1.8V，取決于器件編號(hào)后綴類(lèi)型，并且提供高達(dá)600mA的電流。6MHz的開(kāi)關(guān)頻率使得便攜式無(wú)線(xiàn)設(shè)備可以使用小型集成電感器，并具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)質(zhì)量。圖1顯示了FAN4603的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　圖1. 用于3.7V鋰離子電池的FAN4603 DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有從1.0V 至 1.8V的固定輸出電壓范圍，電流高達(dá)600mA

　　除了瞬態(tài)響應(yīng)性能，選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，觀察效率曲線(xiàn)和注意標(biāo)稱(chēng)工作電流下的效率也是重要的。圖2顯示FAN4603數(shù)據(jù)表的樣本曲線(xiàn)。數(shù)據(jù)表也對(duì)瞬態(tài)性能進(jìn)行了詳述，示波器顯示器顯示了當(dāng)電流從穩(wěn)定狀態(tài)到尖峰時(shí)Vout的穩(wěn)定性，也即模擬無(wú)線(xiàn)廣播，或啟動(dòng)更高功率傳感器，如脈搏血氧計(jì)中的LED。

　　圖2. 在3.7V輸入和不同輸出電壓下帶有1mA 至 600mA負(fù)載時(shí)，F(xiàn)AN4603 DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率曲線(xiàn)。

　　智能MOSFET

　　從DC/DC 調(diào)節(jié)器輸出下游，常常需要使用電源調(diào)節(jié)器來(lái)將經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的電平分配至其它負(fù)載，如傳感器、背光驅(qū)動(dòng)器等。在手持設(shè)備規(guī)范要求中，對(duì)電池壽命的要求較嚴(yán)苛，當(dāng)不使用時(shí)，通常使用智能負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)隔離電池產(chǎn)生的功率消耗。為提供這兩項(xiàng)功能，飛兆半導(dǎo)體提供的IntelliMAX?系列是可選擇之一，該系列時(shí)常應(yīng)用于移動(dòng)手機(jī)和醫(yī)療手持設(shè)備設(shè)計(jì)。其概念是MOSFET帶有集成驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性，例如：轉(zhuǎn)換速率控制以減少涌入電流、過(guò)流保護(hù)、熱保護(hù)、以及欠壓鎖定。所實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵特性是典型的涌入電流控制和邏輯電平使能。圖3顯示了FPF1003 IntelliMAX器件應(yīng)用來(lái)自DC/DC的輸出，提供邏輯可使能1.8V功率電源軌。此器件是30mohm P溝道MOSFET，采用晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（wafer level chip scale package，WL-CSP），帶有次1uA靜態(tài)電流（此電流用于提供驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性）。不同種類(lèi)的其它配置和封裝可用于此產(chǎn)品系列，并且選擇帶有最佳校準(zhǔn)特性的器件是很重要的。不同編號(hào)器件之間的涌入電流控制，以及過(guò)流跳變點(diǎn)的差別很大。最終結(jié)果是相對(duì)于系統(tǒng)架構(gòu)透明的更關(guān)注功率的設(shè)計(jì)。

　　圖3. 智能負(fù)載開(kāi)關(guān)用來(lái)保護(hù)電源，以最簡(jiǎn)單的方式啟動(dòng)對(duì)下游模塊的供電。電流限制設(shè)置點(diǎn)、故障引腳和負(fù)載放電可用于其它器件。

　　對(duì)醫(yī)療保健設(shè)備的影響

　　對(duì)于終端醫(yī)療設(shè)備，半導(dǎo)體技術(shù)直接影響著其功能和上市時(shí)間。采用IC技術(shù)和來(lái)自移動(dòng)細(xì)分行業(yè)的功率架構(gòu)可以縮短設(shè)計(jì)周期，獲得經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案，并擁有多個(gè)供貨來(lái)源。FDA審批流程在推出醫(yī)療設(shè)備過(guò)程中是一個(gè)非常耗費(fèi)時(shí)間的階段，所以使用經(jīng)過(guò)證實(shí)的技術(shù)是快速達(dá)到目標(biāo)的關(guān)鍵所在。類(lèi)似FAN4603的集成功率模塊僅僅是許多完善這項(xiàng)策略的IC產(chǎn)品之一。請(qǐng)注意，不管怎樣，不選擇3.7V可充電單節(jié)電池，設(shè)計(jì)人員將受限于一連串的DC/DC調(diào)節(jié)器，所以，在建立架構(gòu)階段的早期做出正確的決策是應(yīng)用移動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵。

　　易于與PC或其它手持設(shè)備相連接的壽命更長(zhǎng)的醫(yī)療手持式設(shè)備是最終用戶(hù)體驗(yàn)的關(guān)鍵所在。由于無(wú)線(xiàn)技術(shù)減輕了此項(xiàng)煩惱，數(shù)據(jù)必須最終提供予醫(yī)生或醫(yī)院，以便在醫(yī)療保健方面起到最大的作用。無(wú)線(xiàn)技術(shù)是這個(gè)最終目標(biāo)的關(guān)鍵，但隨著標(biāo)準(zhǔn)的確定和實(shí)施，必須克服數(shù)據(jù)隱私和FDA障礙。在標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)、半導(dǎo)體供應(yīng)商和便攜醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行更進(jìn)一步的合作，是實(shí)現(xiàn)可靠的、能共同使用的解決方案的關(guān)鍵。

　　作者：飛兆半導(dǎo)體醫(yī)療行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Edmund Suckow