便攜式醫療設計中的無(wú)線(xiàn)發(fā)展趨勢和解決方案
醫療行業(yè)渴望獲得多功能和互操作性，當然還需要無(wú)線(xiàn)接口， 本文將探討無(wú)線(xiàn)發(fā)展趨勢及其挑戰，包括在采用無(wú)線(xiàn)模塊時(shí)，現在設計中的標準和頻率以及功率考慮事項。使用單節可充電電池的應用將會(huì )是未來(lái)通用終端應用產(chǎn) 品，如某些血糖儀和脈搏血氧計之類(lèi)。我們將討論這些趨勢如何影響醫療保健行業(yè)。
雖然消費類(lèi)應用設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，但是典型的醫療終端用戶(hù)可能各式各樣，從 居家病人到醫院里照顧嚴重病人的護士，兩者均有特定的需求以及所期望獲得的特性。但作為終端設備，醫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)當前的設計趨勢。如果設計人員了解去哪里尋找合適的技術(shù)和如何應用，則手機技術(shù)是現成的和容易利用的。
醫療移動(dòng)設備通常具備特定的用途，如脈搏血氧儀或血糖儀，這些設備完成其核心任務(wù)非常出色。這些便攜設備演變成具有多傳感器日常任務(wù)以及數據趨勢記錄，在 顯示屏有限的小型手機上保留這些信息并不實(shí)際。有兩種通用方法從手機或其接口獲取這些數據：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)儲存 卡，但即使把它們取下或插入PC這樣簡(jiǎn)單的工作也是很麻煩的。
無(wú)線(xiàn)趨勢和解決方案
現在醫用手機設計支持兩項標準：低功率藍牙(Bluetooth?)和ZigBee。在無(wú)線(xiàn)醫療遠程監測服務(wù)(Wireless Medical Telemetry Service，WMTS)以及工業(yè)科學(xué)和醫療(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，當然，這仍然屬于移動(dòng)電話(huà)的頻帶。頻帶選擇將 取決于應用需求以及與接收器的距離遠近，設備的尺寸和可用功率也將影響頻帶。不管頻率選擇如何，對于所有無(wú)線(xiàn)應用，功率也是常見(jiàn)的兩難問(wèn)題，但也這是我們 從移動(dòng)手機行業(yè)中利用半導體技術(shù)最多的地方。選擇單節鋰離子電池作為可充電的電源，以便最好地應用此項技術(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/升壓拓撲，而且第二電源選件不是那么普遍。
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)法工作在持續廣播或接收模式下，而是按照應用相關(guān)需要以脈沖式數據發(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(zhù)太大的工作電壓范圍，通常是2.5V 至 4.2V。針對芯片核心供電軌必須使用DC/DC降壓轉換器。這可使Vbatt保持穩定，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 其可能影響數據準確性。
醫療設備設計團隊可能沒(méi)有移動(dòng)功率專(zhuān)家，但在快節奏的行業(yè)競爭中仍然希望能夠發(fā)布新的差異性產(chǎn)品，以期增加市場(chǎng)份額。為了省去詳細的DC/DC設計和建 模，飛兆半導體針對使用單節可充電鋰離子電池運行的無(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 號后綴類(lèi)型，并且提供高達600mA的電流。6MHz的開(kāi)關(guān)頻率使得便攜式無(wú)線(xiàn)設備可以使用小型集成電感器，并具有良好的瞬態(tài)響應質(zhì)量。圖1顯示了 FAN4603的內部結構。
圖1. 用于3.7V鋰離子電池的FAN4603 DC/DC轉換器，具有從1.0V 至 1.8V的固定輸出電壓范圍，電流高達600mA
除了瞬態(tài)響應性能，選擇DC/DC轉換器時(shí)，觀(guān)察效率曲線(xiàn)和注意標稱(chēng)工作電流下的效率也是重要的。圖2顯示FAN4603數據表的樣本曲線(xiàn)。數據表也對瞬 態(tài)性能進(jìn)行了詳述，示波器顯示器顯示了當電流從穩定狀態(tài)到尖峰時(shí)Vout的穩定性，也即模擬無(wú)線(xiàn)廣播，或啟動(dòng)更高功率傳感器，如脈搏血氧計中的LED。
圖2. 在3.7V輸入和不同輸出電壓下帶有1mA 至 600mA負載時(shí)，FAN4603 DC/DC轉換器的效率曲線(xiàn)。
智能MOSFET
從DC/DC 調節器輸出下游，常常需要使用電源調節器來(lái)將經(jīng)過(guò)調節的電平分配至其它負載，如傳感器、背光驅動(dòng)器等。在手持設備規范要求中，對電池壽命的要求較嚴苛，當 不使用時(shí)，通常使用智能負載開(kāi)關(guān)來(lái)隔離電池產(chǎn)生的功率消耗。為提供這兩項功能，飛兆半導體提供的IntelliMAX?系列是可選擇之一，該系列時(shí)常應用 于移動(dòng)手機和醫療手持設備設計。其概念是MOSFET帶有集成驅動(dòng)和保護特性，例如：轉換速率控制以減少涌入電流、過(guò)流保護、熱保護、以及欠壓鎖定。所實(shí) 現的關(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(此電流用于提供驅動(dòng)和保護特性)。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 校準特性的器件是很重要的。不同編號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。最終結果是相對于系統架構透明的更關(guān)注功率的設計。
圖3. 智能負載開(kāi)關(guān)用來(lái)保護電源，以最簡(jiǎn)單的方式啟動(dòng)對下游模塊的供電。
電流限制設置點(diǎn)、故障引腳和負載放電可用于其它器件。
對醫療保健設備的影響
對于終端醫療設備，半導體技術(shù)直接影響著(zhù)其功能和上市時(shí)間。采用IC技術(shù)和來(lái)自移動(dòng)細分行業(yè)的功率架構可以縮短設計周期，獲得經(jīng)過(guò)驗證的解決方案，并擁有 多個(gè)供貨來(lái)源。FDA審批流程在推出醫療設備過(guò)程中是一個(gè)非常耗費時(shí)間的階段，所以使用經(jīng)過(guò)證實(shí)的技術(shù)是快速達到目標的關(guān)鍵所在。類(lèi)似FAN4603的集 成功率模塊僅僅是許多完善這項策略的IC產(chǎn)品之一。請注意，不管怎樣，不選擇3.7V可充電單節電池，設計人員將受限于一連串的DC/DC調節器，所以， 在建立架構階段的早期做出正確的決策是應用移動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵。
易于與PC或其它手持設備相連接的壽命更長(cháng)的醫療手持式設備是最終用戶(hù)體驗的關(guān)鍵所在。由于無(wú)線(xiàn)技術(shù)減輕了此項煩惱，數據必須最終提供予醫生或醫院，以便 在醫療保健方面起到最大的作用。無(wú)線(xiàn)技術(shù)是這個(gè)最終目標的關(guān)鍵，但隨著(zhù)標準的確定和實(shí)施，必須克服數據隱私和FDA障礙。在標準委員會(huì )、半導體供應商和便 攜醫療產(chǎn)品設計人員之間進(jìn)行更進(jìn)一步的合作，是實(shí)現可靠的、能共同使用的解決方案的關(guān)鍵。
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