电源管理对便携式装置有多重要

引言

全球范围内有很高比例的成人需要定期监测个人生命体征(即血糖、血压、血氧饱和度)。自然而然地，我们看到对便携式医疗装置的需求越来越旺盛，这种医疗装置可实现上述任务，甚至集成更多功能。而且这种趋势不会停止。

体积、重量、可靠性、安全性以及功耗是设计现代化便携式医疗装置的关键因素。现在典型的便携式医疗装置一般需要多种宏模块：处理电源的电源管理电路，无论是一次性还是可充电电池;模拟前端(AFE)，用于将传感器的信号调制并转换为数字信号;微控制器，用于对采集信号执行数学计算，在集成LCD屏幕上显示信息，或者将数据发送至有线/无线装置。实现所有这些功能一般需要使用不同的分离式器件。

高效的电源管理对这些便携式装置至关重要。本文介绍一款单片低功耗片上系统(SoC)，既适合用于使用一次性电池(纽扣电池或碱性电池)的便携式医疗装置，又适合用于使用可充电电池供电的医疗装置。我们还将讨论第二款设计，其中可增加电源管理IC (PMIC)，以支持附加装置功能。

在介绍这两种方案之前，我们需要首先了解典型的分立式设计。然后讨论转向集成式方案、在不影响功率预算的情况下提高性能所带来的好处。我们也研究节省空间、最大化功率利用、利用 USB连接提高安全性的新型集成电路。我们也将了解一下将现代化便携式医疗装置连接至智能电话是多么简单，以及如何扩展应用范围和使用看起来无限的数据。

分立式方案的复杂性、成本和空间

我们的讨论首先从简单回顾分立式电源方案的典型功能方框图开始(图1)。电池管理电路包括电池隔离器、电池充电器、电量计、背光照明电源以及线性/开关稳压器。AFE通常要求ADC、DAC、运放、比较器、模拟开关和电压基准。使用如此多的分立式器件会潜在影响系统可靠性，同时也毫无疑问地增加成本和电路板空间。

图1. 便携式医疗设备中使用众多分立式元件的基本电源方案方框图。

集成式方案具有较高性能

现在，有一种新型双芯片集成式方案，包括微控制器SoC和PMIC，提高总体性能(图2)。我们接下来将介绍SOC和PMIC。

图2. 使用MAX32600微控制器SoC和PMIC的集成式方案简化设计并提高性能。

安全的医疗微控制器SoC

MAX32600微控制器SoC (图3)基于Cortex

M3核心，具有高性能模拟前端(AFE)，集成先进的安全信赖保护，不同于竞争对手的电源方案。有线和无线通信接口为用户将医疗装置连接至其它便携式主机，例如PDA或智能手机，提供了多种选择。

图3. 高度集成的微控制器SoC优化用于便携式医疗设备，具有AFE和信赖保护单元的高安全性。有线外设提高了系统灵活性，多种电源管理模式节省功耗。

AFE管理模拟功能

AFE核包括一个SAR ADC，ADC具有500ksps高采样率和16位分辨率，在输入信号带宽受限的情况下，能够通过过采样和平均方法提高分辨率。实际上，过采样和平均法提高了SNR，从而获得附加分辨率位数。对于每个附加分辨率位，必须以因子4对信号进行过采样。

fOS= 4w × fS (式1)

式中：

w为相应附加分辨率位的数量

fS为相应的原始采样频率

fOS为过采样频率

ADC可配置为以一定间隔收集阵发数据;通过存储器直接访问(DMA)将数据保存至SRAM;然后唤醒处理器。ADC的接口提供可编程阵发采样率(TS独立于TS_avg)以及可编程平均阵发长度(2、4、8、16、32、64、128)。

通过可配置的单端/差分多路复用器，可以选择输入信号类型。ADC前端为差分放大器，具有可编程增益：1、2和4。基准电压可设置为1.0V、1.5V、2.0V和2.5V，将动态范围最大化。四个具有比较器模式的不限特定用途运放和四个SPST开关可用于附加信号调理。

两个12位DAC、两个8位DAC、一个附加电压基准(与前一个相同，也可编程)、一个温度传感器(可使用内部或外部PN结)以及用于驱动LED的可编程流入电流源进一步完善模拟设计。

插值滤波器(1:2、1:4和1:8)(图4)可用于12位DAC和8位DAC，以提高动态性能、降低总线带宽。

图4. 插值滤波器提高DAC的动态性能

可以将DAC码型的开始与ADC采样同步，有利于使用数字波形合成和同步电路(用于相干波形发生和ADC数据捕获)测量阻抗(图5)。

图5. 用于阻抗测量的信号处理方框图。

信赖保护单元提供必不可少的安全性

嵌入式安全对于保护医疗装置的数据完整性至关重要。闪存和SRAM可利用内部电池备份存储器中的密钥进行加密，从而保护SoC固件。通过嵌入式加密电路提供器件安全认证，适合于对称和非对称加密方法。

关于嵌入式安全、加密、私钥和公钥的著作有很多，此处不再赘述。我们想强调的是MAX32600支持AES加密和ECDSA安全认证1。触发集成式动态篡改检测器时，系统的公钥和私钥将被销毁。系统的FIPS认证伪随机数发生器可经受和防止安全攻击。使用独立的内部异步环形振荡器防止定时攻击。

低功耗至关重要

多种集成方法节省功耗。SoC采用低至2.2V的电压工作，对于使用一次性电池供电的便携式医疗装置，这是一项非常大的好处。嵌入式内核在24MHz时的工作电流为175µA/MHz，具有使能实时时钟(RTC)的1.8µA低功耗模式，具有多种节省功耗的电源管理模式。关断处于非工作状态外设的选项甚至可节省更多功耗。

6通道DMA控制器支持外设在微控制器处于休眠模式时工作。在这种方式下，ADC可设置为扫描输入通道、捕获数据，只在需要处理时唤醒内核。

有线外设增加接口灵活性

嵌入式外设提供实现便携式医疗装置所需的全部功能。带有物理接口(PHY)的USB2.0全速控制器允许直接连接USB电缆，降低电路板空间和总体系统成本。集成电压调节器支持在连接至USB主机时在主电源和VBUS之间智能切换。该功能对于VDD电源为电池的系统尤其有利。

多达三个SPI主机UART支持与多个外设从机进行同步通信，数据传输可达到高达24MHz。DMA具有发送和接收缓冲器。两个I²C总线主机/从机接口支持与各种各样支持I²C接口的外设进行通信。支持主机和从机协议。两个同步/异步接收器/发送器(USART)端口支持全双工异步或半双工同步通信。

可选无线外设增加无外部线缆连通性

Bluetooth

v4.0低功耗从机覆盖2.400GHz至2.4832 GHz RF频率范围，可用于连接人工胰腺应用中的血糖传感器和胰岛素泵。免费提供带有医疗说明的源代码：http://content.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/8425/t/do#Software%2FModels。

ISM四频段收发器(315、433、868和915MHz)支持FFSK、FMSK、AFSK调制，以及多种带有快速唤醒的休眠模式。

电源方案增加了可充电医疗装置的安全性且节省空间

我们现在讨论由外部可充电电源供电的便携式医疗装置。MAX14663PMIC (图6) 集成锂离子(Li+)开关充电器，是针对空间受限便携式医疗装置进行优化的电源方案;与MAX32600微控制器SoC配合使用时，最大限度提高功率，节省宝贵的设计空间，以及增加附加功能。我们在上文中已经介绍了MAX32600SoC，现在我们讨论MAX14663的电池管理和USB连接功能。