便携式医疗设计中的无线发展趋势和解决方案
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作者: Edmund SucKow
医疗产业渴望拥有更多的功能和互操作性，当然还需要无线接口，本文将探讨无线发展趋势及其挑战，包括在采用无线模块时，现在设计中的标准和频率以及功率考虑事项。单节可充电电池的应用将会是通用终端应用的产品，如某些血糖仪和脉搏血氧饱和度分析仪之类。我们将讨论这些趋势如何影响医疗保健产业未来的发展。
虽然消费性应用设备总有一些精通科技(teCh-savvy)的用户，并可以给他们推荐一系列功能集和附件功能，但是典型的医疗终端使用者却有很多种，从居家病人到医院里照顾严重病人的护士，两者均有特定的需求以及所期望获得的特性。但最终，这些医疗器材必须可靠和易于使用。满足上述需求的技术业业已准备就绪，但更重要的是，这些技术也经过业界的验证，足以满足这些需求并推动当前的设计趋势。如果设计人员了解去哪里寻找合适的技术和如何应用，则手机技术就是一项现成和易于着手的技术。
便携式的医疗设备通常具备特定的用途，如脉搏血氧饱和度分析仪或血糖仪，而达成这些特定用途的核心能力也非常出色。这些便携式装置演变成具有多传感器的例行任务以及数据趋势记录，在显示屏有限的小型手机上保留这些信息并不实际。有两种通用方法可从手机或其接口取得这些数据：使用无线方式或者通过USB。不久之前，使用的是可移除的记忆卡(removablememoryCard)，但即使把它们取下或插入PC这样简单的工作也是很麻烦的。
无线趋势和解决方案
现今的医用手机设计可支持两项标准：低功率蓝牙(Bluetooth)和ZigBee。在无线医疗远程监测服务(WirelessMediCalTelemetryServiCe，WMTS)以及工业、科学和医疗(IndustrialSCienCeandMediCal，ISM)领域，也有一些基于专有技术的解决方案，其频带范围为400MHz～2.5GHz，当然，这仍然属于移动电话的频带。频带选择将取决于应用需求以及与接收器的距离远近，设备的大小尺寸和可用功率也将影响频带。不管频率选择如何，对于所有无线应用，功率也是常见的两难问题，但这也是我们可从手机产业中利用半导体技术最多的地方。选择单节锂离子电池作为可充电的电源，以便将此项技术应用到淋漓尽致。虽然也可用AA干电池和钮扣电池，但是它们的低电压经常需要较昂贵的降低／升压拓扑，而且第二电源的选择也不是那么普遍。
无线技术的核心难题是其动态功率需求，无线收发器无法在持续广播或接收模式下工作，而是按照应用相关需要，以脉冲方式发送或接收数据。在电池供电轨(Vbatt)上，这种脉冲式工作正是最难的一部份。将无线收发器偏压通过电容组直接连接至电池是一种解决方案，但可充电电池有着太大的工作电压范围，通常是2.5V～4.2V。针对这种核心供电轨，DC／DC降压转换器较为适用。这可使Vbatt保持稳定，并且不会引发最终连接至Vbatt的下游传感器发生欠压事件，而这可能会影响到数据的准确性。
医疗设备设计团队可能没有移动功率的专家，但仍然希望能够在快节奏的产业竞争中推出新的且具有差异性的产品，以期扩大市场占有率。为了省去详细的DC／DC设计和建模，飞兆半导体针对使用单节可充电锂离子电池运行的无线收发器，推出完全整合的功率模块FAN4603。所有输入电容器、电感器、以及输出电容器都整合在2.5mm×4.0mm表面黏着的封装里。其瞬时响应特性是处理无线技术动态功率需求的关键。输入范围与可充电电池相符，且输出固定为1.0V～1.8V，视器件编号后缀类型而定，并且提供高达600mA的电流。6MHz的开关频率使得便携式无线设备可以使用小型整合电感器，并具有良好的瞬时响应质量。图1是FAN4603的内部结构图。
除了瞬时响应性能，选择DC／DC转换器时，观察效率曲线和注意正常工作电流下的效率也是很重要的。图2是FAN4603数据表的样本曲线。数据表也详细地说明了瞬时性能，并用示波器的屏幕显示当电流从稳定状态到尖峰时gout的稳定性，也就是模拟无线广播，或启动更高功率传感器，如脉搏血氧饱和度分析仪中的LED。
智能型MOsFET
在DC／DC调节器的下游，常常需要利用电源监测来将经过调节的电平分配至其它负载，如传感器、背光驱动器等。在手持式设备规范的要求中，对电池寿命的要求较严苛，当不使用时，通常使用智能型负载开关来隔离电池所产生的功率消耗。为提供这两项功能，飞兆半导体的IntelliMAX系列是可选择的解决方案之一，该系列时常应用于移动手机和手持式医疗设备的设计中。其概念是MOSFET带有整合驱动和保护特性，例如：减少涌浪电流(in―rushCurrent)的转动率控制、过流保护、热保护、以及欠压锁定。所实现的关键特性是典型的涌浪电流控制和逻辑电平使能(10giClevelenable)。图3显示了FPF1003IntelliMAX器件在DC／DC的下游实现，提供逻辑使能的1.8V功率电源轨。此器件是30mohmP沟道MOSFET，采用晶圆级芯片尺寸封装(WaferlevelChipsCalepaCkage，WL-CsP)，带有次1uA静态电流(此电流用于提供驱动和保护特性)。此一产品系列也有不同种类的其它配置和封装，并且选择带有最佳校准特性的器件是很重要的。不同编号器件之间的涌浪电流控制，以及过流跳变点(trippoi。nt)的差别很大。最终结果是，对系统架构有更有功率意识的设计透明度。
对医疗保健设备的影响
对于终端医疗设备而言，半导体技术直接影响到其功能和上市时间。采用IC技术和来自行动产业的功率架构可以缩短设计周期，获得经过验证的解决方案，并拥有多个供货来源。在推出医疗设备过程中，FDA的审核流程是一个非常耗费时间的阶段，所以使用经过证实的技术是快速达到目标的关键所在。类似FAN4603的整合式功率模块仅仅是许多与此一策略互补的IC产品之一。请注意，不管怎样，不选择3.7V可充电单节电池，设计人员将受限于一连串的DC／DC调节器，所以，在建立架构阶段的早期阶段做出正确的决策是应用行动技术的关键。
易于与PC或其它手持式设备相连接的长寿命医疗掌上型设备是最终使用者使用经验的关键所在。由于无线技术减轻了此项烦恼，数据必须最终要提供医生或医院，以便对医疗保健乡挥最大的作用。无线技术是这个最终目标的关键，但要藉由标准的确定和实施来克服数据隐私和FDA这两个障碍。在标准委员会、半导体供货商和便携式医疗产品设计人员之间进行更进一步的合作，是实现可靠且可交互运作的解决方案之关键。
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