医疗仪器展会Medtec独家专文 | 将智能技术融入可穿戴设备设计
2024-05-10
电子和通信技术的飞速发展极大地推动了医疗保健行业的进步。当前，医疗物联网（IoMT）通信技术和半导体电子技术日新月异，使得可穿戴医疗设备能够与互联网无缝对接。这些与IoMT相连的设备，包括个人可穿戴设备，能够进行持续监测，让个人更好地了解自身健康状况，收到自动检查和用药提醒，并即时与医疗保健人员沟通。
据医疗仪器展会Medtec了解，至2025年，可穿戴设备的市场规模有望达到约2,500亿美元，复合年增长率接近20%。这一预测为开发新型、创新的移动和可穿戴医疗产品揭示了巨大的市场机遇。图1展示了几种可穿戴医疗设备及它们可接入的各种医疗服务。
图1 – 互联医疗 – 便携式医疗设备和医疗物联网（IoMT）
电子设计人员面临着一项艰巨的挑战，即开发全天候运行的可靠产品。他们需要在保证产品微型化的前提下，增加其功能，并最大限度地提升电池寿命效率。同时，他们还需确保产品坚固耐用，避免发生任何电气危险。
图2 – 智能可穿戴健康监测仪和框图。
可穿戴健康监测仪能够提醒用户活动情况，提供运动数据，监测多项健康参数。目前，众多此类设备已获得美国食品药品监督管理局（FDA）认证，医疗专业人员可根据这些设备提供的数据采取相应措施。图2展示了一款基于物联网的智能可穿戴设备，包含关键电路部分，设计人员可在此基础上增添医疗监测功能，并运用先进技术提升设备的坚固性和可靠性。受益于这些改进电路的组件包括无线充电器、电池组、触摸屏显示器以及用户界面。
无线充电器负责为设备电池提供必要的充电电流。充电器采用USB-C电源供电，能够输出高达20VDC和5VAC的电压。若充电器出现故障，可能导致过流现象，对设备造成损害。因此，为确保安全，需采用保险丝或高分子聚合物正系数温度电阻（PPTC）可复位保险丝，以提供必要的过流保护。此外，静电放电（ESD）若无适当的防护措施，将严重威胁可穿戴设备的安全性。为此，可采用瞬态电压抑制器（TVS）二极管，它能将瞬态电压箝位在安全水平，并吸收高达kA级别的浪涌电流，从而有效提供过压保护。
图3 – 过流、过压保护示意图
（以Littelfuse的eFuse保护IC为例）
尽管市面上存在多种保护元件，但Littelfuse eFuse保护IC以其综合的过温、过流、过压以及其他保护模式脱颖而出（如图3所示）。eFuse将多种保护功能集成于单个表面贴装集成电路中，显著节省了PC板（PCB）空间并缩短了开发周期，相较于执行类似功能的多种独立元件具有明显优势。除此之外，eFuse还具备以下增强功能：
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欠压锁定（UVLO）。
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软启动保护，有效限制浪涌电流。
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由于电源电流路径中采用了低RDS（ON）的MOSFET，功率损耗得以有效降低。
USB Type-C作为一种多引脚、高密度连接器，其狭窄的引脚间距容易因灰尘和污垢引发短路，进而降低引脚间的绝缘电阻。针对这一问题，数字温度指示器能够监测并预防USB电缆因针脚短路而受损。例如，在USB Type-C架构的通信通道电路中集成Littelfuse setP™温度指示器，可实时监控温度变化，及时采取保护措施。当setP检测到连接器温度达到100℃时，其电阻会相应增大，从而触发通信通道发出中断供电线路的信号，有效防止连接器损坏（如图4所示）。
在通信通道中采用setP的优势在于，该保护元件不会给供电线路带来任何额外的功率损耗。此外，setP完全符合USB实施者论坛（USB-IF）的标准，因此适用于Type-C插头。
健康监测仪通常采用锂离子电池组作为电源。当电流过载时，电池可能会出现过热或失效的风险。针对这种情况，选用立即生效的PPTC自恢复保险丝是一种理想选择。PPTC保险丝具有多种类型，能够在过电流达到额定保持电流的10倍时，于一秒内迅速切换到高阻态。这种保险丝的功率耗散约为0.5 W，能有效降低功耗。此外，PPTC保险丝采用小型表面贴装封装，尺寸仅为0.06 × 0.03英寸（1.5 × 0.8毫米），极大地节省了空间。
ADTE高端有源医疗装备技术展
从《十四五医疗装备产业发展规划》到《医药工业高质量发展行动计划（2023-2025年）》、《医疗设备产业高质量发展行动计划（2023-2025年）》发布。增强高端医疗器械、关键技术和原辅料等供给能力，加快补齐我国高端医疗装备短板成当下所需。
医疗仪器展会Medtec及ADTE高端有源医疗装备技术展将于2024年9月25-27日在上海世博展览馆2号馆举办，展品品类囊括芯片传感，集成电路，连接器线束，电源电机，软件配套，AI，5G智慧医疗，影像设备核心组件，光学组件，内窥镜部件，激光器，成像解决方案等。目前已确认的参展品牌：海康慧影，雷莫，夸迈，欧卓斯，环球特科，为实光电，嘉恒中自 ，远讯光电，毕科电子，庆泰线缆，程业五金，雨菲电子，高拓，踢踢，永征，三平影像等。目前仅剩少量席位，想来现场发掘更多更适合您的供应商？现在就预登记吧>>>
触摸屏显示器作为健康监测仪的用户界面，负责功能控制和信息分析。然而，人体接触可能产生的静电放电（ESD）会损害触摸屏，进而导致健康监测仪失效。为防止与ESD相关的故障，TVS二极管起到了至关重要的作用。它能够吸收用户接触产生的高达30 kV的放电，从而保护触摸屏免受损害。此外，这些元件的漏电流极低，通常小于0.5 μA，有助于减少电池电流的消耗。TVS二极管采用小型0201表面贴装封装，其并联电容可低至15pF，确保数字信号线的完整性不受影响。为确保ESD保护和安全性能不受影响，需确保TVS二极管符合IEC 61000-4-2标准。 
用户通过用户界面按钮来操控健康监测仪的各项功能。为确保设备稳定可靠，这些按钮要能防潮，经久耐用。因此，设计人员在选择开关时，应确保其至少达到IP67的防护等级。鉴于健康监护仪等小型设备的空间限制，表面贴装开关的尺寸应小至0.08 × 0.06 × 0.06英寸（2.1 × 1.65 × 1.65毫米）。这些开关还需在宽泛的工作温度范围内（-40℃至+85℃）表现出色，并具备长达300,000次的工作寿命。
采用这些推荐的元件，设计人员可有效提升健康监测仪的电气安全性，同时确保整个设计坚固耐用，仅需少量元件即可达成这一目标。
图5 – 助听器框图
用户对助听器的耐用性和可靠性期望很高。在图5所示的电路图中，电路保护和精准控制对于提升产品的可靠性至关重要。以下技术建议表提供了有益的指导。
音量控制和按钮功能要求开关经久耐用，适应各种环境。设计人员可选的开关样式很多。对于这些设备来说，开关的尺寸必须微型化、坚固耐用，且质量标准要达到最高。除了克服环境条件的困难外，碎屑和体液也可能影响设备运转。
正如之前介绍健康监测触摸屏电路时所说，应使用TVS二极管保护USB接口免受ESD影响。为双向保护USB数据线，建议在阳极对阳极连接中使用两个TVS二极管。此外，可采用超小01005倒装芯片封装的TVS二极管。
助听器的主要电源来源于USB Type-C端口，该端口负责为电池提供充电电流。eFuse系列中的某款产品采用DRN1.2×1.6 4L小型封装，能够提供过流、过压和过温等多重保护。这款部件是专为健康监测仪设计的eFuse的缩小版，尺寸更紧凑。相较于标准版，该缩小版通过采用固定值的保护参数，有效减小了元件体积，减少了外部元件（尤其是去耦电容器）的需求。此外，这款eFuse内置的串联MOSFET拥有超低RDS（ON）电阻（仅为26 mΩ），显著延长了电池的使用寿命。
对于助听器USB接口的保护，另一个直接且有效的方案是采用PPTC自恢复保险丝，它主要提供过流保护功能。PPTC保险丝虽然仅限于提供过流保护，但其电池耗电量极低，且占用PCB空间极小。这款PPTC自恢复保险丝采用0402表面贴装封装，电阻值控制在个位数毫欧的范围内。
可穿戴医疗设备必须能够稳定可靠地运行，以实现预期效益。仅需增添数个元件，即可让产品非常稳健。eFuse保护IC和setP数字温度指示器等创新元件，不仅以极低功耗实现电路保护，而且有效节省PCB空间。这些元件能保障开关信号的完整性，实现骤变，助力实现卓越性能。
此外，设计人员可利用元件制造商的应用专业知识，轻松应对可穿戴设备保护的挑战。这些专业知识涵盖多个方面：
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元件制造商可协助选择兼具成本效益和紧凑特性的保护与控制组件。
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他们提供关于适用安全标准的建议，助力产品在全球市场顺利销售。
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通过进行预符合性测试，元件制造商可消除重复测试周期，帮助设计人员节省时间和成本。
通过与元件制造商紧密合作，设计人员能够打造出理想的解决方案：精密且高效，避免因冗余功能而增加复杂性。这种合作不仅缩小了元件尺寸、降低了成本，还为可持续发展提供了有力支持。
医疗仪器展会Medtec相信在独特元件与元件制造商专业协助的共同作用下，电子设计人员能够成功开发出保护完好、性能卓越的可穿戴医疗设备，最终为客户带来更可靠、更耐用的产品体验。
