便攜式醫療設計中的無線發展趨勢和解決方案

摘要：醫療行業渴望獲得多功能和交互性，當然還需要無線接口。本文將探討無線發展趨勢及面臨的挑戰，包括在采用無線模塊時，當前設計標準中頻率和功率的問題。使用單節可充電電池將會是未來通用終端產品的發展方向，如某些血糖儀和脈搏血氧計等。本文將討論這些趨勢將如何影響醫療保健行業。

關鍵詞：醫療電子；無線；便攜化

雖然消費類應用設備總有一些精通科技(tech-savvy)的用戶，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可能各式各樣，從居家病人到醫院里照顧嚴重病人的護士，對功能均有特定的需求。作為終端設備，醫療器材必須可靠且易于使用。滿足上述需求的技術業已可用，更重要的是，這些技術也正引領和推動當前的設計趨勢。如果設計人員想要了解去哪里尋找合適的技術并如何應用，那么手機技術則是現成，的和容易利用的。

移動醫療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非常出色。這些便攜設備演變成具有多傳感器，完成日常任務和數據趨勢的記錄，但在顯示屏有限的小型手機上保留這些信息并不實際。有兩種通用方法從手機或其接口獲取這些數據：無線或者USB。不久以前，使用的是可移動儲存卡，但即使只是把它們取下或插入PC這樣簡單的工作也是很麻煩的。

無線趨勢和解決方案

現在的醫用手機設計支持兩項標準：低功率藍牙(Bluetooth)和ZigBee。在無線醫療遠程監測服務(Wireless Medical TelemetryService，WMTS)以及工業科學和醫療(ISM)領域，也有一些基于專有技術的解決方案，其頻帶范圍為400MHz～2.5GHz，當然，這仍然屬于移動電話的頻帶。頻帶選擇將取決于應用需求以及與接收器距離遠近，設備尺寸和可用功率也將影響頻帶。不管頻率選擇如何，對于所有無線應用，功率也是常見的兩難問題，但這也是我們在移動手機行業中利用半導體技術最多的地方。我們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。雖然AA干電池和鈕扣電池也可用，但是它們的低電壓經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。

無線技術的核心難題是其動態功率需求，無線收發器無法工作在持續廣播或接收模式下，而是按照應用需要來發送或接收脈沖式數據。而這種脈沖式工作在電池供電軌(Vbatt)上是最難做到的。將無線收發器偏壓通過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2.5～4.2V。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，且不會使最終連接至Vbatt的傳感器下游因欠壓，而影響其數據準確性。

醫療設備設計團隊可能沒有移動功率專家，但在快節奏的行業競爭中仍然希望能夠發布新的差異性產品，以期增加市場份額。為了省去繁復的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的無線收發器，推出了高度集成的功率模塊FAN4603。所有輸入電容器、電感器，以及輸出電容器都集成在2.5mm×4.0mm表面貼片封裝里。其瞬態響應特性是處理無線技術動態功率需求的關鍵。輸入范圍與可充電電池相符，輸出固定為1.0～1.8V，這取決于器件編號后綴類型，并且能提供高達600mA的電流。6MHz的開關頻率使得便攜式無線設備可以使用小型集成電感器，并具有良好的瞬態響應質量。圖1顯示了FAN4603的內部結構。

除了瞬態響應性能，選擇DC／DC轉換器時，觀察效率曲線和注意標稱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。數據表也對瞬態性能進行了詳述，示波器顯示了當電流從穩定狀態到尖峰時的Vout穩定性，也即模擬無線廣播，或啟動更高功率傳感器，如脈搏血氧計中的LED。

智能MOSFET

DC／DC調節器的輸出下游常常需要使用電源調節器來將經過調節的電平分配至其它負載，如傳感器、背光驅動器等。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，通常使用智能負載開關來隔離電池產生的功率消耗。為實現這兩項功能，可選飛兆半導體的IntelliMAX系列，該系列常用于手機和醫療手持設備的設計。其理念是MOSFET帶有集成驅動和保護特性，例如：轉換速率控制以減少涌入電流、過流保護、熱保護、以及欠壓鎖定。所實現的關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器件應用來自DC／DC的輸出，通過1.8V功率電源軌提供邏輯使能。此器件是30mohm P溝道MOSFET，采用晶圓級芯片尺寸封裝(WE-CSP)，帶有次1μA靜態電流(此電流用于提供驅動和保護特性)。不同種類的其它配置和封裝可用于此產品系列，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，以及過流跳變點的差別很大。最終結果是此設計相對于系統架構透明，更關注功率。

對醫療保健設備的影響

對于醫療終端設備，半導體技術直接影響著其功能和上市時間。采用IC技術和移動細分行業的功率架構可以縮短設計周期，獲得通過驗證的解決方案，并擁有多個供貨來源。在推出醫療設備過程中，FDA的審批流程是一個非常耗費時間的階段，所以使用通過驗證的技術是快速達到目標的關鍵所在。類似FAN4603的集成功率模塊僅僅是許多完善這項策略的IC產品之一。請注意，不管怎樣，如果不選擇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，因此，在早期建立架構階段做出正確決策是移動技術的關鍵。

易于與PC或其它手持設備互聯，擁有更長的壽命，是醫療手持式設備最終用戶體驗的關鍵所在。無線技術減輕了互聯煩惱，數據將最終提供給醫生或醫院，以便實現醫療保健方面的作用最大化，無線技術是實現這個最終目標的關鍵。但隨著標準的制定和實施，必須解決數據隱私問題，通過FDA驗證。在標準委員會、半導體供應商和便攜醫療產品設計人員之間進行更進一步的合作，是實現可靠、通用的解決方案的關鍵。