【導讀】全球醫療健康產業正在不斷跨界融合人工智能、物聯網、大數據、5G技術等高科技，使醫療服務大步走向真正意義的智能，其中行走在醫療健康領域的可穿戴設備也是發展熱點之一。根據透明市場研究公司（TMR）的報告顯示，到2026年，全球可穿戴醫療設備市場份額預計將超過290億美元，未來幾年的復合年增長率將有望超過17%。
全球醫療健康產業正在不斷跨界融合人工智能、物聯網、大數據、5G技術等高科技，使醫療服務大步走向真正意義的智能，其中行走在醫療健康領域的可穿戴設備也是發展熱點之一。根據透明市場研究公司（TMR）的報告顯示，到2026年，全球可穿戴醫療設備市場份額預計將超過290億美元，未來幾年的復合年增長率將有望超過17%。
將醫療健康領域作為公司的五大核心目標市場之一的ADI，公司就見證了該市場的快速成長，過去幾年中生命體征監測成為所有地區增長最快的細分市場之一，該公司的重點應用包括醫療影像、生命體征監測、體外診斷及生命科學儀器等主要細分市場。10年前，生命體征監測主要應用于醫院以及救護車和直升機等專業救助設備，最大的市場是床邊監視器和重癥監護病房的監視器；現在，具有生命體征監測功能的可穿戴設備使醫生能夠遠程監控病人，實現以較少的專業人員監控更多的人群。
電源設計，杜絕掉鏈子
可穿戴醫療健康市場對元器件的主要需求是超低功耗、高集成度和小尺寸等，ADI公司服務醫療市場幾十年，深刻的認識到低功耗精密元器件是便攜式無線醫療設備得以迅速發展的關鍵。這些醫療級產品通常在可靠性、運行時間和魯棒性方面有很高的標準，但其中大部分負擔都落在電源管理系統及其組件上。醫療監測產品通常需要能在各種電源之間無縫切換，如電池、市電、超級電容器，甚至采集的環境能量。
對于醫療可穿戴設備的電力系統架構師而言，設計的系統必須受到保護，有時必須能夠容忍故障條件，以便在電池供電的情況下最大限度地延長運行時間，同時還必須確保只要存在有效的電源，系統的正常運行都是可靠的。ADI的LTC4041就是一款這樣的電源解決方案，面向2.9V至5.5V電源軌的完整超級電容器后備電源管理系統，這類電源軌在主電源出現故障時必須保持有效。超級電容器的功率密度高于電池，從而使其非常適合在短時間段內需要高峰值備份功率的系統。
新型備用管理器電源解決方案
眾所周知，超級電容、電池和/或二者的組合可以用作幾乎所有電子系統的備用電源，那么有哪些解決方案可用呢？
首先，任何高可用系統解決方案都會需要一個完整的電池備用電源管理系統，其必須能夠在主電源發生故障時讓3.5V至5V電源軌保持供電。電池提供的能量比超級電容要多很多，因此需要備用電源長時間供電的應用使用電池更合適。相應地，任何高可用系統解決方案都需要片內雙向同步轉換器，以便對備用電池高效率充電；如果主電源軌發生中斷，它還能向下游負載提供高電流備用電源。因此，當外部電源可用時，該器件將用作單節鋰離子或LiFePO4電池的降壓電池充電器，同時賦予系統負載以優先權。然而，如果輸入電源突然降至可調電源失效輸入(PFI)閾值以下，該IC將需要充當升壓調節器，以從備用電池向系統輸出提供幾安培的電流。因此，如果發生電源故障，該IC將需要執行電源路徑控制，以提供反向阻斷并在輸入電源和備用電源之間無縫切換。
與電池類似的是超級電容。但是，超級電容不支持主電源長時掉電的場合，但它是需要高功率、短時間備用電源的系統的出色選擇。因此，任何支持此類應用的IC通常都需要能夠在主電源中斷期間支持2.9V至5.5V電源軌。眾所周知，超級電容的功率密度高于電池，這使其成為短時間內需要高峰值功率備用電源的系統的理想選擇。
上文提到的LTC4041就使用了片內雙向同步轉換器，提供高效率的降壓超級電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當外部電源可用時，該器件用作一個或兩個超級電容單元的降壓電池充電器，同時賦予系統負載以優先權。當輸入電源降至可調PFI閾值以下時，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級電容向系統負載提供最高2.5A的電流。在電源故障期間，該器件的PowerPath™控制功能提供反向阻斷以及從輸入電源到備用電源的無縫切換。LTC4041的典型應用包括醫療設備、功率計、工業報警器、服務器和固態驅動器等應用中的緊急備用電源。圖1顯示了一個典型LTC4041應用原理圖。
兩個堆疊串聯超級電容器的 LTC4041 超級電容器備份電源管理器
LTC4041有一個可選的OVP功能，使用外部FET來保護IC免受高于60V的輸入電壓的影響。內部超級電容平衡電路使每個超級電容上的電壓保持相等，并將每個超級電容的最大電壓限制在預定值。其可調輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時系統負載電流優先于電池充電電流。外部斷開開關在備用電源供電期間將主輸入電源與系統隔離開來。該器件還具有輸入電流監控功能、輸入電源失效指示器和系統電源失效指示器。
另外，對于有熱約束和空間約束的醫療系統的電源設計人員來說，擁有一個緊湊高效的5v buck變換器是非常重要的。LTC3309A 是一款非常小巧的高效率、低噪聲、單片同步 6A 降壓型 DC/DC 轉換器，采用 2.25V 至 5.5V 的輸入電源工作。該器件采用了Silent Switcher結構，最大限度降低了 EMI 發射。
LTC3309A 可工作在強制連續或脈沖跳躍模式 (以實現低噪聲)或低紋波突發模式 (Burst Mode) (以在輕負載條件下實現高效率)，非常適合電池供電型系統。該 IC 可調節低至 500mV 的輸出電壓。其他特點包括輸出過壓/短路保護、熱停機、時鐘同步和高達 100% 的工作占空比 (以實現低壓差)。該器件采用外形扁平的 12 引腳 2mm × 2mm × 0.74mm LQFN 封裝，此封裝具有裸露焊盤以實現低熱阻。
結論
雖然可穿戴設備的發展重點已經從健身轉移到了醫療，但這也意味著系統設計人員面臨著更苛刻的系統要求并因此具有更嚴峻的設計挑戰，例如耐熱和空間受限的外殼以及如何能夠在不受干擾或中斷的情況下傳輸數據等，這些挑戰背后都或多或少的能找到從電源方面的解決方案。ADI的超低噪聲穩壓器LTC3309A和備用管理器LTC4041可滿足可穿戴式設備小型、緊湊、熱效率高和魯棒的解決方案的需求。
在智能可穿戴體征信號檢測市場相關產品組成方面，ADI有著完整的產品線組合，包括從電源到體溫、阻抗、光學等傳感器、模擬信號轉數字信號的高集成模擬前端或分立信號鏈產品，特別是ADI成功收購電源技術領先提供商凌力爾特公司后，更整合了后者獨具優勢的電源技術，從而提供更具競爭優勢的萬恒解決方案。可穿戴體征信號監測設備是一個復雜的系統性設計產品，這種整合的完整解決方案有助于從電源、信號鏈到系統的完美設計。
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