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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-05-23 18:19
在快速發(fā)展的可穿戴醫(yī)療設備研發(fā)中，功能、性能、功耗、體積及成本等多種要素都會受到嚴格約束。定制ASIC可以使原始設備制造商更好地平衡各種要素，實現(xiàn)設計優(yōu)化，并保護免受供應鏈的影響。但是，基于各種固有矛盾，始終離不開設計權衡。本文對主要的幾種設計權衡進行了詳細分析，旨在為設計優(yōu)化提供實質性幫助。
雖然定制ASIC能夠使原始設備制造商對功能和需求實現(xiàn)更好的平衡，但現(xiàn)實中仍非完美無缺。實際上幾乎所有應用也都是如此，尤其對先進的可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)而言。這類系統(tǒng)中，功率預算、功能和外形都受到嚴格限制。本文研究了原始設備制造商在采用ASIC方案時，可能面臨的一些關鍵權衡，以及如何更有效地平衡這些權衡。
醫(yī)療保健和健康應用所采用的可穿戴技術，代表著一個巨大的市場機會。其設計潛在覆蓋范圍很廣，從智能膏藥到手腕監(jiān)視器，再到治療系統(tǒng)。但許多此類設備都有一系列常見的約束限制，其中最重要的就是精度、能耗、體積和成本。
盡管上述每個約束都對硬件設計有著重要影響，但設計師通常需要面對的權衡主要集中在設備的能量配置上。功耗如何隨著活動變化，這往往決定了體系結構決策以及設計滿足其他約束的程度。
權衡1：設備常開VS電池容量
所用電池容量將限制可提供給設備的能量。而采用能量收集的無電池設計將受到更大的限制。能量限制將約束設計的幾個方面。從系統(tǒng)設計的角度來看，在所有級別上對能量決策影響最大的是占空比。
盡管許多醫(yī)療保健設備表現(xiàn)為“常開”，但在大多數(shù)情況下，高效的設計將確保大多數(shù)電路在低占空比下運行：在被喚醒采取行動之前，盡可能長時間地休眠和斷電。在現(xiàn)代工藝節(jié)點中，功率門控是必不可少的，以防止功率晶體管不斷漏電流。例如，采用多個時鐘和電源域，可以確保只在正確的時間才向需要電源的子系統(tǒng)供電。
很多時候，系統(tǒng)中唯一始終處于活動狀態(tài)的電路，是高能效的定時器和內存緩沖器，它們定期喚醒前端電路來執(zhí)行數(shù)據(jù)轉換，并將數(shù)據(jù)轉移到緩沖器中。電路或固件可以監(jiān)視輸入數(shù)據(jù)，以查看是否已經(jīng)超過某些閾值，或者緩沖器是否已滿。如果是，則邏輯可以觸發(fā)狀態(tài)轉換，該狀態(tài)轉換會喚醒監(jiān)控微控制器，來進行數(shù)據(jù)分析。在這個級別上做出的決策，有可能會導致系統(tǒng)的更多部分被喚醒，從而采取進一步的行動，包括采取數(shù)據(jù)中繼的形式，利用藍牙將數(shù)據(jù)中繼到另一個物聯(lián)網(wǎng)設備或智能手機等。
盡管睡眠和喚醒周期可以在軟件或固件級別進行管理，這并不一定是功效的最佳選擇，在考慮全系統(tǒng)功耗時，前端ASIC可以提供顯著優(yōu)勢，這正是其被采用的原因之一。前端ASIC通?？梢蕴峁┤缦履芰?，即對非定制前端數(shù)據(jù)轉換器的預定義狀態(tài)中可能不用的功率狀態(tài)進行微調控制。
權衡2：性能VS電池容量
許多現(xiàn)成的高分辨率ADC都采用Σ-Δ架構。在該架構中，數(shù)字濾波器利用采樣率來換取源自相對簡單的模擬輸入級的分辨率。在現(xiàn)代半導體工藝中，這是一種以相對低成本來提供高精度和大動態(tài)范圍的設計方法。大動態(tài)范圍有助于管理醫(yī)療保健設備中的干擾，因為在醫(yī)療保健設備中，有用信號里通常會混入許多噪聲。
對捕獲的數(shù)字信號進行處理時，若采用功能相對強大的處理器，則可以從相對較小的有用信號中濾除大部分噪聲和干擾。然而不幸的是，這種策略將使得系統(tǒng)的功耗變高。不僅DSP執(zhí)行的過采樣和濾波需要很多能量，主微控制器中實施的許多數(shù)字后處理也需要大量的能量，且每次捕獲都需要激活主微控制器。
當為實現(xiàn)高分辨率而增加抽取濾波器數(shù)量時，Σ-Δ轉換器的高延遲會使這個問題更加惡化。從捕獲序列開始，獲得每個采樣塊所需的時間，都會導致主微控制器/系統(tǒng)占空比的提高。
一種更節(jié)能的解決方案是專注于處理更靠近信號的干擾，然后利用混合信號電路來處理常見的噪聲，這樣可以將傳送到主微控制器的信號變得更干凈、且所用速率更低。對于這類設計，通常需要在ASIC上利用定制DSP來執(zhí)行過采樣信號的數(shù)字濾波，這樣做有兩個目的：一是通過消除大干擾對信號的影響，進而可以降低對ADC大動態(tài)范圍的需求。其次是在將濾波后的信號傳輸?shù)轿⑻幚砥鬟^程中，可以采用較低的采樣率，從而減少了電路活動，降低了功耗。
通過在ASIC的存儲器中緩沖一些輸出樣本，并以更長間隔喚醒微控制器來讀取和處理這些樣本，可以進一步減小功耗。在極限情況下，只有在出現(xiàn)特定的信號特征或事件時，例如心率出現(xiàn)異常值，這類異常數(shù)據(jù)才會被傳輸與記錄，并會喚醒系統(tǒng)來實施進一步操作。由于此時輸出采樣率較低，還可以將輸出采樣存儲在ASIC上的存儲器中，進一步降低喚醒微控制器的讀取頻度，從而進一步降低功耗。
由于對大動態(tài)范圍的需求較少，故ASIC可以采用能耗低得多的轉換架構?？赡苋匀皇?Sigma;-Δ轉換架構，但可采用更簡單、延遲更小的抽取濾波器。這種設計的啟動開銷更低，從而有助于采用更短的加電和斷電周期以及輸入信道的多路復用。
另一種選擇是逐次逼近(SAR)設計，總體上這是一種能提供高能效的架構。對于變化較慢的輸入信號，其電荷積分電路可以提供能量利用、分辨率和捕獲速率的最佳組合。
權衡3：功能VS外形尺寸
前端ASIC的一個重要特性是可以大大節(jié)省空間。芯片尺寸通常小于3×3mm，使得這些器件非常適合醫(yī)療保健可穿戴設備的小安裝結構。
然而，充分利用ASIC緊湊特性的芯片級封裝，器件能夠提供的I/O連接端口數(shù)量卻有限，這與在系統(tǒng)中構建更多傳感器輸入的趨勢背道而馳。多輸入可提供探測更多皮膚部位的能力，進而可獲得更高質量的信號。智能醫(yī)療可穿戴設備越來越多地將來自不同模式傳感器的數(shù)據(jù)相結合，以改善整體結果，同時更有效地處理各輸入附帶的噪聲。
圖1：獲得2022年詹姆斯·戴森獎的SmartHeal智能傳感器敷貼。該敷貼由華沙理工大學的學生發(fā)明，利用pH值來監(jiān)測傷口的愈合情況，并利用RFID進行低功耗通信。(圖片來源：詹姆斯·戴森基金會)
在減小芯片尺寸和增加I/O連接端口數(shù)之間，傳統(tǒng)的權衡方法是在封裝中采用比標準的0.4mm間距更高的密度。但這可能會增加整體系統(tǒng)成本，因為需要對PCB和組裝技術進行升級，以處理更窄間距的電路跡線。另一種選擇是增加I/O通道上的多路復用水平，特別是用于與外部微控制器的連接。
串行端口上的多路復用，提供了一種根據(jù)數(shù)據(jù)吞吐量來安排引腳數(shù)量的有效方式。這樣可根據(jù)所用的協(xié)議來安排，從而更具有靈活性。如果利用雙線I2C就能夠支持設備所需的數(shù)據(jù)速率，就不要用四線SPI，這就意味著可以釋放兩條寶貴的I/O引腳。
減少引腳數(shù)量的另一個方式是優(yōu)化電路設計，應盡量避免利用外部無源元件(如電容器和電感器)來實現(xiàn)模擬信號處理功能。半導體廠提供的混合信號工藝，支持在金屬互連堆疊中形成無源元件，并且可以在管芯尺寸與引腳數(shù)量之間提供有效的折衷。
還值得一提的是，先進封裝技術通過在單個封裝中直接嵌入模擬前端和各種傳感器，這樣也能釋放PCB面積和I/O引腳的約束。
權衡4：BoM VS成本
在理想情況下，系統(tǒng)的大部分功能將被集成到一片ASIC中。不過，在某些情況下，這在經(jīng)濟上是不可行的。
集成到ASIC中的功能以及ASIC實現(xiàn)這些功能所需的工藝節(jié)點，將受到許多因素的影響。包括電壓電平、IP可用性、對非易失性存儲器的支持、所需邏輯門的數(shù)量和成本等。與邏輯或存儲器的工藝快速升級不同，晶體管及其集成組件的工藝升級較慢，從而使得模擬接口及相關支持電路在成熟工藝節(jié)點上更具經(jīng)濟性。
雖然魚與熊掌不可兼得，不過一個好的ASIC設計師，將能夠平衡各種折衷，并考慮整個系統(tǒng)，從而找到最佳選擇。
實際中一個很好的權衡例子是葡萄糖監(jiān)測貼片。這種類型的設備需要模擬前端、無線通信的BLE支持、處理器核和閃存。假設采用55nm工藝，ASIC的總開發(fā)成本可能達到數(shù)百萬美元。因為不光要考慮設計和半導體廠生產(chǎn)掩模費用，還要包括BLE和處理器IP的許可費用。
實現(xiàn)相同設計的一種更具成本效益的方式是采用模擬前端ASIC，該ASIC與各種現(xiàn)成的支持BLE的處理器相配合。如果能夠支持外部處理器的話，就會更具靈活性，如果供應鏈要求的話，就可以支持制造商的變更。
這樣做將需要復制ASIC中的一些功能，可能需要額外的通用I/O、I2C、SPI以及電源管理接口。這可能會增加ASIC的尺寸，況且表面上看會增加制造成本，但實際上，總成本可能會更有效地降低。因為ASIC將能夠采用具有較低掩模成本的成熟工藝，例如130nm。另外，ASIC需要的IP許可更少，這也會降低開發(fā)成本。而且該架構仍能提供供應鏈保護。
圖2：在低功耗小尺寸系統(tǒng)中，ASIC設計雖然有多種權衡，但成本、性能、尺寸、功能和電池壽命都將得到優(yōu)化。
結論
采用ASIC方法可以保護免受供應鏈問題的影響，并支持優(yōu)化設計。但總是需要各種權衡，在選擇這種設計方案之前，應該對這些權衡進行充分理解。
來源：電子工程專輯
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