IC技术进步助力医疗电子设备成本降低
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2020-11-05
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IC技术进步助力医疗电子设备成本降低技术进步助力医疗电子设备成本降低
便携式医疗电子技术的发展使医疗保健成本得以降低。电池供电的非植入性(Non-invasive)传感器具有移动性，
加上板上存储器，就能够捕获针对某种病症的完整数据模式。由于IC技术的不断进步，这些器件的尺寸越来越
小、持续工作时间越来越长，因此更容易在该领域中获得采用。 病人离开医院之后，生活往往恢复正常。
平日里他们应该遵照医生嘱咐呵护好自己的身体，比如放松心情，提高心率，加强营养等等。可是无论什么情
况，人们总有遇上极限的时候。一个简单的病患监控设备可以是一个让病患和医疗服务提供者双赢的解决方
案，其不但能减少病患到医院看病的次数，还能大大提高每次就医看病的价值。 仅仅在数年前，传感器的
便携式医疗电子技术的发展使医疗保健成本得以降低。电池供电的非植入性(Non-invasive)传感器具有移动性，加上板上存
储器，就能够捕获针对某种病症的完整数据模式。由于IC技术的不断进步，这些器件的尺寸越来越小、持续工作时间越来越
长，因此更容易在该领域中获得采用。
病人离开医院之后，生活往往恢复正常。平日里他们应该遵照医生嘱咐呵护好自己的身体，比如放松心情，提高心率，加
强营养等等。可是无论什么情况，人们总有遇上极限的时候。一个简单的病患监控设备可以是一个让病患和医疗服务提供者双
赢的解决方案，其不但能减少病患到医院看病的次数，还能大大提高每次就医看病的价值。
仅仅在数年前，传感器的尺寸还太大，不适用于昼夜连续监控；但随着电子技术的进步，其尺寸缩小，单组电池工作时间
不断延长。血糖监测仪和注射器属于最初的成功应用案例，最新的进展是闭环测试以及胰岛素管理设备。这些设备现已成为I
类糖尿病病患每天全日使用的设备，但这种概念应该不限于糖尿病患。
过去5年中，小型电池技术基本变化不大。而电源设计的技巧和IC 技术的进步，却直接使得这些传感器工作寿命延长。这
些借助手机标准得到实现的进步包括：USB充电、高效DC/DC调节器、I/O 标准 (I2C、SPI、SDIO等)的采用，以及显示技术
的改进等等。
在医疗保健行业，最重要的问题之一是产品何时能够面向病患供货。项目设计周期一般都非常漫长，常常跨越数年之久。
虽然并非所有的时间都用在电气设计阶段，但很多时候电气设计团队往往是公司内部团队中规模较小的，而化学、法律和测试
团队都要大得多。电子产品的一大关键趋势是缩短上市时间，同时降低风险。所有便携式产品都需要某种形式的电源，一般是
以原电池或可充电电池供电。电池的功率必须经过调节以满足下游复杂传感器所需，这种设计可以延长电池的寿命，并使功能
集独立使用。
过去，这种功率调节模块消耗资源和实际工作功率，占用板上面积。而如今，对于DC/DC应用，一个简单的开关PWM周
围放置多个MOSFET的时代已经一去不复返，不再需要众多无源器件来增加最低程度的保护了。我们现在谈论的是过去5年来
不断得到采用的集成式DC/DC 降压 IC。目前，电子行业正在快速发展，包括积极开发单芯片电源模块。这些器件与功率更高
的电信行业中的DC/DC模块不同，是可经由大量销售渠道供货、带专门部件编号的真正模塑封装IC。
DC/DC模块集成化，提高效率并降低风险模块集成化，提高效率并降低风险
飞兆半导体的FAN4603 uModule就是这样的一款IC。其原理见图1所示。
图1 飞兆半导体的FAN4603 uModule
集成有FET的基本控制器与输入/输出电容以及DC/DC降压拓扑所需的开关电感共同封装在单个模块中。其前期优势十分
明显，比如：尺寸减小，库存部件只有一个，设计周期相应缩短。此外，还有一些技术上的优点。
由于单一模块中所有有源部件是如此的接近，大电流和高频路径得以缩短，从而可降低EMI，而对于需要复杂传感器和人
体接口的医疗设备行业来说，低EMI是一个至关重要的规范。将这款模块的降压拓扑开关频率提高至6MHz，就能够集成层叠
式电感。由于开关频率的提高，电感尺寸得以减小。因为这些电感和电容等无源组件是由实际PWM和FET设计人员所选择，
各项指标均经过细调，在建议的负载范围内具有理想的互操作性。
这种调节的缺点是模块的输出电压固定，然而可变输出电压又会导致无源元件的匹配不平衡。因而，可以提供具有一定输
出电压的不同模块来解决问题。首先推出的模块的输出电压为1.8V，Vin为2.3～5.5V。这一电压范围是单一可充电电池、AA
和AAA双电池盒，以及单一3V锂离子电池的理想选择。
由便携式医疗设备设计需求所推动的电子行业的另一项重要进步是，功率模块在不同负载上的效率得以提升。医疗应用设
备常常处于休眠状态，当传感器未加偏压和不采集实际数据时，仅消耗极少的功率。在这段时间内，系统Icc可降至10mA以
下。在这些轻负载和中等负载状态下，可使用PFM技术以最大限度地减小模块内部的损耗。图2所示为FAN4603的典型效率曲
线。
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