ADI:可穿戴设备的“芯”机会

 

如今,人们对健康问题越来越重视,随着关键生命体征传感技术的创新,也加速了人们对医疗数据的采集。各种健康检测设备从医院来到了家家户户,例如血压监测仪、可穿戴手表等等。根据法国市场研究公司Yole Development 2020年发表的报告显示,受医疗类穿戴市场和消费类穿戴市场的驱动,医疗健康可穿戴产品的市场规模将从2019年的3.47亿件,会持续增长到2025年能达到7.54亿件。市场空间的上升,也吸引了一大波厂商巨头涌入可穿戴设备。ADI也看到了这其中的机遇,尤其是Maxim的加入,其优越的生物传感器芯片和电源芯片解决方案必将为可穿戴设备更好的赋能。
ADI:可穿戴设备的“芯”机会
一颗芯片测量4种生命体征

 

 

近日,Maxim发布了MAX86178这个综合了三个测量系统的临床及关键生命体征监测的模拟前端AFE。据Maxim Integrated (现已并入Analog Devices) 工业与医疗健康事业部医疗健康产品线总经理Andrew Baker的介绍,MAX86178单芯片集成了三重完整的测量系统,包括光学、心电及生物阻抗,可以实现四种关键生命体征的测量(ECG、心率、血氧饱和度和呼吸率)。
 
ADI:可穿戴设备的“芯”机会
图注:最上面是生物阻抗检测的框图,中间部分是ECG的测量框图,最下面是PPG的整个测量。
关于这3路测量子系统,Andrew Baker也做了详细的介绍。在ECG部分MAX86178模拟前端可以做到临床等级的ECG测量,满足IEC60601-2-47的医疗标准。其次,在PPG测量方面可以做到临床等级的血氧检测,它的性能可以高达113dB信噪比。再就是其具有设计灵活的生物阻抗测量通道,支持ICG、BIA/BIS、GSR/EDA监测。
MAX86178能有效简化复杂的多生命体征监测系统的开发,加速产品上市。而且使用MAX86178的整个可穿戴设备相比于以前的分立方案,尺寸可以做到更小,而且采集信号可以实现和光学PPG和ECG系统的时钟完全同步。
另外MAX86178可以支持多项可配置的电源配置,支持针对每个特定的用户场景进行功耗优化。所有这些功能在MAX86178上面可以得到实现,且仅在一个2.6mmX2.8mm WLP的封装上实现。
这3路测量系统可以监测4 项关键生命体征的应用案例。第一种,利用PPG光学来测量血氧饱和度,使用案例比如检测肺功能,睡眠障碍。第二种,利用BioZ测量呼吸率从而检测呼吸的变化和呼吸的深度。第三种,通过心电图测量法或者是光学PPG测量法来测量心率或者是心率变化率。第四种,测量心电图本身ECG或EKG,通过心电图本身的测量可以实现防颤检测和心脏健康状况的监测。
下面是一个典型的远程监护贴片的系统框图。图中绿色是ADI已经拥有的解决方案,Maxim的加入,将使这个案例更加锦上添花。如图所示,医疗贴片上电极配合MAX86178,可以实现ECG和BioZ的测量,光学器件配合MAX86178可实现PPG的测量。此外,ADI还可以提供加密的低功耗蓝牙MCU,使M4F的MCU可以做到数据处理加密及低功耗蓝牙传输。当然还有电源管理和温度传感器的结合。
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Andrew Baker表示,总的来讲,可穿戴医疗设备的未来正在加速到来,可穿戴医疗设备监护设备尺寸更小,功能更先进,MAX86178这样的三合一系统用单芯片完成了四项生命体征的采集,使得心电图、心率、血氧饱和度、呼吸率的采集系统变得更精简。四种生命体征的监测也让疾病预防和疾病与以及慢性病管理变得触手可及。
攻克可穿戴设备的命门——电源

 

 

现在随着由电池供电的便携式诊断仪器不断涌现,对于电源管理和生物传感器协同工作的创新成为了电源系统设计师必须要考虑的一个课题。他们需要解决的问题是,如何在不牺牲传感器信号精确度的情况下,还能保证最少的功耗和最小的尺寸外形。
与此同时,传统的医疗器件的厂商也在积极的制造看起来非常时尚外观上看上去更像是消费电子类的设备。所以消费和医疗这两个市场正在逐渐靠拢融合,一起来为我们完成日常生活健康追踪而服务的任务。
那么,当下可穿戴设备所面临的挑战无外乎以下几点:舒适性、测量精度、电池寿命、充电时间、全方位数据。其对应的解决策略就是,小巧/轻薄、精密测量、高效/延长电池工作时间、快速充电、集成更多的监测功能。
在下一代可穿戴的产品中,我们明显需要更多的传感器来支持更多的功能,需要更强大的人工智能的处理芯片,这也对我们电源的芯片提出了更高的要求。而传统的解决方案通常会使用一个传统的电源管理芯片或者几个独立的稳压器来对设备中的各个功能原件进行供电,这样电源的解决方案在整体解决方案中占有的体积就会相对的比较大。针对这些问题,ADI推出了功能丰富的下一代SIMO PMIC解决方案。
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由上图我们可以看出,右边SIMO技术的解决方案中可以放入更多的传感器,如GPS、音频、BioZ、AI处理器等等。这些都源于SIMO技术的优势:如下所示,ADI的MAX77659 SIMO技术三路的开关模式的输出,以及一路的开关模式的充电,都是同时共享一个电感的,这就大大节省了整体解决方案的面积和体积。如果传统的电源管理芯片,按照这种规格的话,则至少需要4个电感。Maxim Integrated (现已并入Analog Devices) 电池电源方案事业部多功能电源产品线执行总监Karthi Gopalan表示,所以相对于市场上现有的其他的电源管理芯片,我们ADI提供的MAX77659,可以为可穿戴设备,耳戴设备和物联网设备在安全的前提下提供更快的充电速度。
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总体来看,MAX77659的优点颇多。因为是单个电感为多个输入电轨进行供电,进而将这个物料清单减少60%,同时总的电源解决方案体积将减小50%。通过ADI的测试在短暂充电10分钟之后,我们的这个芯片就可以为产品提供4小时的充电播放时间。
MAX77659集成了一个开关模式的Buck Boost充电器和三个独立可编程的Buck Boost稳压器,而这些功能都共用一个电感,最大程度的缩减了解决方案的总尺寸,这些稳压器通过高于91%的重载效率和低至5VA的静态电流,大大延长了电池寿命。MAX77659提供充电器的自动余量控制,通过最大限度的降低压降来减少功率损耗以及控制热量,提高充电效率。
Karthi Gopalan举了一个典型的助听器案例,MAX77659的带有自主的余量跟踪功能使得充电的整个过程,能够在同样的工作条件下,使快速充电产生的热量显著降低。进而让充电速度更长时间的保持在2个C到3个C的速率,进而大幅度缩短充电所需要的时间。
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结语

 

 

ADI看到,未来的医疗可穿戴设备和消费类电子设备的发展趋势将是数字、物理与个性化需求的融合。如果说三合一芯片MAX86178的到来是变革人们的医疗健康方式,那么MAX77659的推出,将守护可穿戴设备电池的“健康”。两者环环相扣,共同为人类健康事业谱下华丽的乐章。

本文来源半导体行业观察。

 

 

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