電子和通信技術(shù)的飛速發(fā)展極大地推動了醫(yī)療保健行業(yè)的進(jìn)步。當(dāng)前，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）通信技術(shù)和半導(dǎo)體電子技術(shù)日新月異，使得可穿戴醫(yī)療設(shè)備能夠與互聯(lián)網(wǎng)無縫對接。這些與IoMT相連的設(shè)備，包括個(gè)人可穿戴設(shè)備，能夠進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，讓個(gè)人更好地了解自身健康狀況，收到自動檢查和用藥提醒，并即時(shí)與醫(yī)療保健人員溝通。
據(jù)市場研究公司預(yù)測，至2025年，可穿戴設(shè)備的市場規(guī)模有望達(dá)到約2,500億美元，復(fù)合年增長率接近20%。這一預(yù)測為開發(fā)新型、創(chuàng)新的移動和可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品揭示了巨大的市場機(jī)遇。圖1展示了幾種可穿戴醫(yī)療設(shè)備及它們可接入的各種醫(yī)療服務(wù)。
圖1 - 互聯(lián)醫(yī)療 - 便攜式醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）
電子設(shè)計(jì)人員面臨著一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，即開發(fā)全天候運(yùn)行的可靠產(chǎn)品。他們需要在保證產(chǎn)品微型化的前提下，增加其功能，并最大限度地提升電池壽命效率。同時(shí)，他們還需確保產(chǎn)品堅(jiān)固耐用，避免發(fā)生任何電氣危險(xiǎn)。
圖2 - 智能可穿戴健康監(jiān)測儀和框圖。
可穿戴健康監(jiān)測儀能夠提醒用戶活動情況，提供運(yùn)動數(shù)據(jù)，監(jiān)測多項(xiàng)健康參數(shù)。目前，眾多此類設(shè)備已獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）認(rèn)證，醫(yī)療專業(yè)人員可根據(jù)這些設(shè)備提供的數(shù)據(jù)采取相應(yīng)措施。圖2展示了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能可穿戴設(shè)備，包含關(guān)鍵電路部分，設(shè)計(jì)人員可在此基礎(chǔ)上增添醫(yī)療監(jiān)測功能，并運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)提升設(shè)備的堅(jiān)固性和可靠性。受益于這些改進(jìn)電路的組件包括無線充電器、電池組、觸摸屏顯示器以及用戶界面。
1、無線充電器
無線充電器負(fù)責(zé)為設(shè)備電池提供必要的充電電流。充電器采用USB-C電源供電，能夠輸出高達(dá)20VDC和5VAC的電壓。若充電器出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致過流現(xiàn)象，對設(shè)備造成損害。因此，為確保安全，需采用保險(xiǎn)絲或高分子聚合物正系數(shù)溫度電阻（PPTC）可復(fù)位保險(xiǎn)絲，以提供必要的過流保護(hù)。此外，靜電放電（ESD）若無適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，將嚴(yán)重威脅可穿戴設(shè)備的安全性。為此，可采用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管，它能將瞬態(tài)電壓箝位在安全水平，并吸收高達(dá)kA級別的浪涌電流，從而有效提供過壓保護(hù)。
圖3 - 過流、過壓保護(hù)示意圖
（以Littelfuse的eFuse保護(hù)IC為例）
盡管市面上存在多種保護(hù)元件，但Littelfuse eFuse保護(hù)IC以其綜合的過溫、過流、過壓以及其他保護(hù)模式脫穎而出（如圖3所示）。eFuse將多種保護(hù)功能集成于單個(gè)表面貼裝集成電路中，顯著節(jié)省了PC板（PCB）空間并縮短了開發(fā)周期，相較于執(zhí)行類似功能的多種獨(dú)立元件具有明顯優(yōu)勢。除此之外，eFuse還具備以下增強(qiáng)功能：
欠壓鎖定（UVLO）。
軟啟動保護(hù)，有效限制浪涌電流。
由于電源電流路徑中采用了低RDS（ON）的MOSFET，功率損耗得以有效降低。
USB Type-C作為一種多引腳、高密度連接器，其狹窄的引腳間距容易因灰塵和污垢引發(fā)短路，進(jìn)而降低引腳間的絕緣電阻。針對這一問題，數(shù)字溫度指示器能夠監(jiān)測并預(yù)防USB電纜因針腳短路而受損。例如，在USB Type-C架構(gòu)的通信通道電路中集成Littelfuse setP™溫度指示器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化，及時(shí)采取保護(hù)措施。當(dāng)setP檢測到連接器溫度達(dá)到100℃時(shí)，其電阻會相應(yīng)增大，從而觸發(fā)通信通道發(fā)出中斷供電線路的信號，有效防止連接器損壞（如圖4所示）。
圖4展示了Littelfuse setP數(shù)字溫度指示器的電阻與溫度關(guān)系曲線。
在通信通道中采用setP的優(yōu)勢在于，該保護(hù)元件不會給供電線路帶來任何額外的功率損耗。此外，setP完全符合USB實(shí)施者論壇（USB-IF）的標(biāo)準(zhǔn)，因此適用于Type-C插頭。
2、電池組
健康監(jiān)測儀通常采用鋰離子電池組作為電源。當(dāng)電流過載時(shí)，電池可能會出現(xiàn)過熱或失效的風(fēng)險(xiǎn)。針對這種情況，選用立即生效的PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是一種理想選擇。PPTC保險(xiǎn)絲具有多種類型，能夠在過電流達(dá)到額定保持電流的10倍時(shí)，于一秒內(nèi)迅速切換到高阻態(tài)。這種保險(xiǎn)絲的功率耗散約為0.5 W，能有效降低功耗。此外，PPTC保險(xiǎn)絲采用小型表面貼裝封裝，尺寸僅為0.06 × 0.03英寸（1.5 × 0.8毫米），極大地節(jié)省了空間。
3、觸摸屏顯示器
觸摸屏顯示器作為健康監(jiān)測儀的用戶界面，負(fù)責(zé)功能控制和信息分析。然而，人體接觸可能產(chǎn)生的靜電放電（ESD）會損害觸摸屏，進(jìn)而導(dǎo)致健康監(jiān)測儀失效。為防止與ESD相關(guān)的故障，TVS二極管起到了至關(guān)重要的作用。它能夠吸收用戶接觸產(chǎn)生的高達(dá)30 kV的放電，從而保護(hù)觸摸屏免受損害。此外，這些元件的漏電流極低，通常小于0.5 μA，有助于減少電池電流的消耗。TVS二極管采用小型0201表面貼裝封裝，其并聯(lián)電容可低至15pF，確保數(shù)字信號線的完整性不受影響。為確保ESD保護(hù)和安全性能不受影響，需確保TVS二極管符合IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。
4、可靠的用戶界面按鈕
用戶通過用戶界面按鈕來操控健康監(jiān)測儀的各項(xiàng)功能。為確保設(shè)備穩(wěn)定可靠，這些按鈕要能防潮，經(jīng)久耐用。因此，設(shè)計(jì)人員在選擇開關(guān)時(shí)，應(yīng)確保其至少達(dá)到IP67的防護(hù)等級。鑒于健康監(jiān)護(hù)儀等小型設(shè)備的空間限制，表面貼裝開關(guān)的尺寸應(yīng)小至0.08 × 0.06 × 0.06英寸（2.1 × 1.65 × 1.65毫米）。這些開關(guān)還需在寬泛的工作溫度范圍內(nèi)（-40℃至+85℃）表現(xiàn)出色，并具備長達(dá)300,000次的工作壽命。
采用這些推薦的元件，設(shè)計(jì)人員可有效提升健康監(jiān)測儀的電氣安全性，同時(shí)確保整個(gè)設(shè)計(jì)堅(jiān)固耐用，僅需少量元件即可達(dá)成這一目標(biāo)。
5、保護(hù)助聽器
圖5 - 助聽器框圖
用戶對助聽器的耐用性和可靠性期望很高。在圖5所示的電路圖中，電路保護(hù)和精準(zhǔn)控制對于提升產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要。以下技術(shù)建議表提供了有益的指導(dǎo)。
音量控制和按鈕功能要求開關(guān)經(jīng)久耐用，適應(yīng)各種環(huán)境。設(shè)計(jì)人員可選的開關(guān)樣式很多。對于這些設(shè)備來說，開關(guān)的尺寸必須微型化、堅(jiān)固耐用，且質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到最高。除了克服環(huán)境條件的困難外，碎屑和體液也可能影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。
正如之前介紹健康監(jiān)測觸摸屏電路時(shí)所說，應(yīng)使用TVS二極管保護(hù)USB接口免受ESD影響。為雙向保護(hù)USB數(shù)據(jù)線，建議在陽極對陽極連接中使用兩個(gè)TVS二極管。此外，可采用超小01005倒裝芯片封裝的TVS二極管。
助聽器的主要電源來源于USB Type-C端口，該端口負(fù)責(zé)為電池提供充電電流。eFuse系列中的某款產(chǎn)品采用DRN1.2x1.6 4L小型封裝，能夠提供過流、過壓和過溫等多重保護(hù)。這款部件是專為健康監(jiān)測儀設(shè)計(jì)的eFuse的縮小版，尺寸更緊湊。相較于標(biāo)準(zhǔn)版，該縮小版通過采用固定值的保護(hù)參數(shù)，有效減小了元件體積，減少了外部元件（尤其是去耦電容器）的需求。此外，這款eFuse內(nèi)置的串聯(lián)MOSFET擁有超低RDS（ON）電阻（僅為26 mΩ），顯著延長了電池的使用壽命。
對于助聽器USB接口的保護(hù)，另一個(gè)直接且有效的方案是采用PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，它主要提供過流保護(hù)功能。PPTC保險(xiǎn)絲雖然僅限于提供過流保護(hù)，但其電池耗電量極低，且占用PCB空間極小。這款PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲采用0402表面貼裝封裝，電阻值控制在個(gè)位數(shù)毫歐的范圍內(nèi)。
6、幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對挑戰(zhàn)
可穿戴醫(yī)療設(shè)備必須能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效益。僅需增添數(shù)個(gè)元件，即可讓產(chǎn)品非常穩(wěn)健。eFuse保護(hù)IC和setP數(shù)字溫度指示器等創(chuàng)新元件，不僅以極低功耗實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)，而且有效節(jié)省PCB空間。這些元件能保障開關(guān)信號的完整性，實(shí)現(xiàn)驟變，助力實(shí)現(xiàn)卓越性能。
此外，設(shè)計(jì)人員可利用元件制造商的應(yīng)用專業(yè)知識，輕松應(yīng)對可穿戴設(shè)備保護(hù)的挑戰(zhàn)。這些專業(yè)知識涵蓋多個(gè)方面：
元件制造商可協(xié)助選擇兼具成本效益和緊湊特性的保護(hù)與控制組件。
他們提供關(guān)于適用安全標(biāo)準(zhǔn)的建議，助力產(chǎn)品在全球市場順利銷售。
通過進(jìn)行預(yù)符合性測試，元件制造商可消除重復(fù)測試周期，幫助設(shè)計(jì)人員節(jié)省時(shí)間和成本。
通過與元件制造商緊密合作，設(shè)計(jì)人員能夠打造出理想的解決方案：精密且高效，避免因冗余功能而增加復(fù)雜性。這種合作不僅縮小了元件尺寸、降低了成本，還為可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。
在獨(dú)特元件與元件制造商專業(yè)協(xié)助的共同作用下，電子設(shè)計(jì)人員能夠成功開發(fā)出保護(hù)完好、性能卓越的可穿戴醫(yī)療設(shè)備，最終為客戶帶來更可靠、更耐用的產(chǎn)品體驗(yàn)。
文章翻譯來源：Medical Design Briefs
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