电源技术助力全民移动医疗

 全民医疗保健是近期最重要的政府、社会和经济问题之一。关注点主要集中在给未投保的人提供医疗保险，这也意味着向位置偏僻且缺医少药的人群提供医疗服务。那么，该如何提供服务?很明显，解决方案在于技术，具体来说在于智能手机、平板电脑和生物医药传感器。

到目前为止，市场上已有40,000多个医疗应用程序—而这仅仅是开始。2011年，医疗应用程序下载次数达到1.24亿次，到2012年该数据几乎翻番，达到2.47亿。健康和健身传感器的复合年均增长率预计超过37%(图1)。

 

 

图1：全球移动感应健康和健身传感器出货量 (2012年~2017年)。

移动平台上的应用程序和生物传感器现在能够监测睡眠、饮食、妊娠、处方管理、情绪、血压、血糖水平、花粉水平、峰流、听诊、心律、超声诊断、皮肤应力、化学药品及其他许多方面。通过在手机上连接更多先进的仪器，可以提供任何数量的诊断程序。

然而，获得新的移动医疗检测和处理功能需付出相应代价—功耗。手机的核心是先进的应用处理器，其速度和处理能力每年都在提高。但是，处理器每次更新换代，电池使用寿命也会受到更大考验。对于在移动平台上运行的电池供电远程医疗系统而言，这个问题尤为突出(图2)。

 

 

图2：多核、64位总线和进程迁移驱动指数处理器的能力提高。

能够长时间获取读数通常是医学遥测的关键方面。当重要保健与电池使用寿命相关时，电池使用寿命就成为了一个重要的关注点。那么，典型移动电源能否跟上处理器的改进步伐?许多情况下，可能都跟不上(图3)。

 

 

图3：需求呈指数增长，但是电池能量密度成算数增长。

尽管电池性能一直不断提高，但是速度跟不上由其供电的处理器。电池性能(以能量密度来衡量)仅以线性速率提高，比处理器性能的指数增长速率慢得多。这就产生了功率差距，这对于需要较长电池寿命的医疗应用而言是不受欢迎的。

大多数用户需要每天给手机充电，但这对许多医疗应用程序来说还不够。常见移动医疗诊断，例如心电动态监测仪(即移动心电图)，每次充电后必须运行一整天、数天甚至数周。因此，移动医疗设计必须抓住一切机会来降低功耗和增强当前移动平台的供电配置。

可充电单节锂离子电池具有充足的IC来提供2.5V~4.2V的电压范围，因此是大多数移动设计的常见起点平台。但是，它们对许多医疗设备来说可能不实用。随着如今手机和平板电脑上采用的显示技术普遍朝着更大更明亮的方向发展，导致相应功耗不断增加，电池尺寸不断增大。3000mAh电池现在变得相当普遍。即使这样，还是几乎每天都必须充电，因为随着电池变大，耗电量的功能也越来越多(亦或反之)。不管怎样，医疗手持设备和传感器的用户群与消费类手机和平板电脑的用户群截然不同，故而可以迅速排除使用需要每天充电的集成式可充电电池的可行性。因此，如果需要更长的使用寿命，那么如何能够提供呢?

这正是原电池发挥作用的地方。“原电池”定义为一种通过使用不可逆化学反应产生电势的电池。根据定义，该电池无法进行充电。原电池是您在商店购买的老式电池，用到电量耗尽后就扔掉。原电池的优势在于，它们的储电量通常大于可充电电池并且保存时间更久。原电池具有多种外形，但手持式或穿戴式应用的常用电源为1.5V柱状电池(例如五号、六号等)或3V钮扣电池。众所周知，这些电池在无负载条件下可以存放很长时间，并且更换成本相对较低。典型的1.5V碱性电池设计为具有0.9V Vmin，但通常会串联在一起，以使输出电压范围翻一倍或两倍。CR2032锂离子电池等钮扣电池则可以在其预期寿命的大部分时间内稳定提供3V输出电压(取决于负载瞬态轮廓)。由于这种有用的3V电势，纽扣电池通常以并联方式嵌装以处理较大的负载瞬态，并直接连接微处理器接口，而无需进行DC/DC调节。

由于在电池耗尽时需要人工将电池插入设备，因此可能会插错电池。反向电池的负电势对多数IC和微处理器有害。因此，必须提供反极性保护。最简单的保护形式是肖特基阻隔二极管，但压降和相应的效率损失在需要较长电池寿命的应用中是不可接受的。可以使用P沟道FET，但可能无法实现真正的负电压阻断。需要进行反向阻断时，通常需要串联两个FET体二极管以相反结构方向摆放。对于各种电池配置，还需要考虑这些MOSFET的合适栅极驱动以及应用时序。

为了解决反向极性保护问题，飞兆推出了一个IC系列，该系列产品能够像肖特基二极管一样进行阻断，但信号传递效率相当于MOSFET的效率。FR014H5JZ是此系列中的高端保护器件，具有-30V阻断能力和+32V正向传递能力。正确插入电池时，FR014H5JZ在20兆欧以内的功率预算中几乎可以忽略不计。这种简单而高效的器件可以取代多种器件，同时仍可延长电池使用寿命。图4显示了此反向极性保护器件的配置。

 

 

图4：FR014H5JZ经典原理图。

在所有电池电源设计中，发展电源路径的下游时可以使用智能负载开关来断开不需要的高泄漏负载或暴露连接器。这在高可靠性医疗应用中非常常见。各种样式的Intellimax系列产品都内置数字开/关控制、浪涌电流保护、反向电流阻断、温度保护和过流保护。如果负载电势高于源极电势，即使只是在短暂时间内，反向电流阻断功能将会很有用。底部具有焊球的晶圆级芯片规模封装和小至0.8mm×0.8mm的几何形状有助于优化电路板空间。可以使用简单的P沟道FET，但如果需要任何其他保护，特别是开关远在上游以至多次下游停电导致故障时，则P-FET周围需要其他组件来调整迁移至智能负载开关。

移动电源，特别是用于医疗应用的移动电源可能会变得更为混杂，将可充电电池和板载原电池搭配使用以及可能实施低功耗能量采集。在这种情况下，反向极性保护器件和智能负载开关将变得更有价值。要获得较长的电池寿命，关键在于使源电势与负载要求相符，同时限制任何所需的DC/DC调节。

很明显，智能手机和平板电脑将具有诸多优势，能够远远超出其当前使用模式(包括远程医疗应用)。生物医疗传感器、医疗应用程序及云与移动平台、社会伦理与公共政策相互交织，共同推动移动医疗硬件设备的广阔市场。硬件工程师和IC提供商的任务是确保这些平台能够上电并保持上电状态。