可穿戴技術注定將是下一次數字健康革命的基礎，智能且自動的實時控制/監控會成為醫療領域最重要的應用，可為患有長期慢性疾病的患者提供高品質的護理和更好的生活質量。但必須指出的是，可穿戴設備的供電問題可能是一個難以克服的障礙。

每一代新的健身腕帶和智能手表都集成有更多的功能，這些可穿戴設備中越來越多的功能通常會導致更高的功耗。當然，同樣的規則也適用于醫療設備。但用于活動跟蹤和患者監測等領域的可穿戴設備具有嚴格的空間限制，不能采用體積較大的電池，因此，需要采用更多創新的電源管理技術來控制系統的功率預算水平。

如果要使可穿戴設備發揮作用，則患者必須能夠舒適地長時間佩戴（因為在大多數情況下，可能需要不間斷地佩戴，以便能夠收集所需的數據）。可穿戴設備也不應該太重，導致患者疲勞，在考慮老年患者或嬰兒應用時尤其如此。

設計要點

任何可穿戴醫療設備都需要集成各種不同的關鍵電子元件。這些包括：

·  一個微控制器單元（MCU），用于數據管理和數據處理。

·  某種形式的電池，用于存儲運行所需的能量。

· 傳感器，如加速度計、陀螺儀、心率監測儀等。

· 能夠支持藍牙低功耗（BLE）或近場通信（NFC）等技術的通信接口。

· 負責數據保護的加密機制（確保私人醫療信息受到保護）。

使用何種MCU和傳感器可以確定設備的特性和功能，因此也就確定了預期的應用。臨床醫療設備必須高度準確和可靠，易于管理，并具有高效的數據保護功能，能夠記錄數據的時間可擴展至一年或更長時間。用于設計此類項目的系統級電源管理工程方法包括若干功能模塊，其中基于對電源的不同需求而分別共享一些電源域。通過這種方式，可以為每個域實現最佳布局，以最大限度地提高電源效率（如圖1所示）。某些域在未被利用時可以被完全禁用，例如RF元件，以及對時間不敏感的高占空比功能。位于系統核心的MCU必須將超低功耗電源管理與高集成度外設整合在一起。

圖1：具有各種電源域的可穿戴設備典型內部電路配置。

電池技術

可穿戴設備中最常用的電池化學物質是鋰離子（Li-Ion）和鋰離子聚合物（LiPo）。鋰離子電池由有機電解質組成，標稱電壓為3.2V～4V（初級和次級）。這兩種化學物質在儲能容量方面不盡相同，其中以鋰離子電池更高。

鋰離子電池對環境的影響相對較小，并且具有適中的尺寸和輕質的結構。但這種電池的容量與其尺寸直接相關，因此在空間受限的設計中會導致明顯的儲能降低。石墨烯等電池材料技術正在取得進步，這些新技術能夠確保儲能水平遠遠優于目前的鋰離子電池，未來的應用可以從中受益，目前正在進行的許多研究項目都在瞄準這一目標。與納米技術相關的研究進展將能夠使超級電容器作為一種存儲電能的方式，能夠供可穿戴設備使用。

超低功率MCU

在醫療可穿戴設備應用中，MCU必須能夠在待機模式下消耗大約nA級的電流，在完全運行時達到最高幾百μA的電流。 MCU不僅要處理來自傳感器的數據，還必須管理電源，僅在系統特定部分需要時才提供電流，從而不會浪費電能。

Maxim Integrated的MAX32660 MCU（詳見圖2）針對可穿戴設備應用而設計，能夠提供高性能與高能效的完美組合。它具有32位ARM Cortex-M4內核和內置FPU處理器，可以訪問足夠的內存來運行高級算法，并可管理與其連接的任何類型傳感器。該MCU還擁有業界領先的功率性能指標（高達50μW/ MHz），采用緊湊型WLP封裝，外形尺寸僅為1.6mm x 1.6mm。

圖2：MAX32660的功能框圖。

Microchip可提供范圍廣泛的超低功耗32位MCU，以滿足可穿戴醫療市場的需求，其中包括基于ARM Cortex-M0+架構的最小SAM D MCU，一直到超低功耗SAM L系列和高性能PIC32MX XLP系列。這些MCU在工作模式下每周期的功耗低于35μA/ MHz，在睡眠模式下僅消耗200nA的電流。它們都集成有豐富的功能，包括LCD端口、運算放大器、實時時鐘和mTouch感測、以及USB和DMA接口。它們還連接有低功耗外設，以便在沒有CPU中斷的情況下實現幾乎沒有延遲的數據共享（見圖3）。

圖3：Microchip PIC32MX的功能框圖。

在可穿戴領域中使用的其他32位MCU解決方案還包括基于ARM Cortex-M3的Silicon Labs EFM32 Giant Gecko。Giant Gecko MCU能夠提供自主的低功耗外設，包括用于提高安全性的AES加密、UART、低能耗傳感器接口和運算放大器（更多詳細信息，請參見圖4）。

圖4：EFM32功能框圖。

能量收集

正如我們已經討論過的那樣，可穿戴設備沒有在醫療專業市場得到廣泛使用的主要原因之一是需要定期給電池充電，患者可能會忘記這些，或者需要護理人員來承擔這些工作。通過改進電池內部的化學物質，一種替代方案是采用能量收集技術。這類電池可以從外部能源（例如太陽光、熱梯度或運動）收集能量以對醫療設備充電 ，因此可以無限期地運行而無需進行電池充電。

通過人體運動或熱量來獲取能量取決于佩戴者消散的能量。對于一般人來說，這個數字大約是107焦爾 /天，這相當于20kg電池存儲了2500mA / h的電能，理論上講，如果可以有效地利用，將能夠提供足夠的能量儲備。

熱電能技術是通過利用塞貝克效應（Seebeck effect）將熱量轉化為電能，即依靠熱側和冷側之間的溫度梯度產生成比例的電位差，構成Peltier 單元 的一對半導體將為系統設計提供必要的元件。對于可穿戴設備，持續散發熱量的人體可以用作暖側，而周圍環境則可以作為熱電技術收集電能所需的冷側。不同于從光伏電池收集的太陽能（只能在白天進行），這種設置的主要優點之一是白天和夜晚都具有可持續使用的能源。

能量收集的另一種形式是利用患者四肢振動和運動產生的機械能。這種情形下，壓電元件在每次機械運動后都會產生電流。對于可穿戴設備中的能量收集，壓電元件通常設計成通過佩戴者在行走、呼吸或移動手臂及腿時產生的振動來產生電流。 Wurth Electronics的Energy Harvesting Solution to Go 開發套件可以輕松得到能量收集技術，幫助開發人員為可穿戴設備構建電源管理電路。

DC / DC轉換器

DC / DC轉換器的任務是為所有外圍設備提供和保持恒定電壓。通過MCU的指令，它能夠管理鋰離子電池中存儲的所有能量，這些組件需要滿足嚴格的指標要求，同時消耗盡可能少的能量。凌力爾特公司的LTC3107（如圖5所示）是一款高集成度DC / DC轉換器，旨在通過能量收集機制延長功率受限系統中主電池的使用壽命。通過使用一小部分熱能，它可以顯著延長電池壽命，從而降低了與更換電池相關的經常性維護成本。

圖5：LTC3107 DC / DC轉換器的典型應用電路。

可穿戴醫療設備的發展趨勢是持續小型化，具有更小和更高集成度的封裝，因而需要更先進的電源管理系統，并且在許多情況下，也需要采用某種形式的能量收集技術。選擇合適的數字電路、電池和相應的DC / DC轉換器解決方案是完成所需超低功耗設計的基礎。