全球醫療電子市場正快速成長。根據市場研究公司Marketsandmarkets的調查,2015年整體醫療電子市場約為30億美元,並將在其後幾年以5.4%的年複合成長率(CAGR)持續成長,預計可在2022年時達到44.1億美元的市場規模。那麼,瞭解以下因素是推動這種發展的一些主要動力就不足為奇了;它包括不斷出現的人口老齡化和日益增加的文明病;對於個性化、易用型和先進保健裝置日益攀升的需求;以及穿戴式醫療電子產品使用率的不斷提高。

同時,長時間地讓患者在醫院的病床上治療和復健所產生的費用在經濟上逐漸變得難以為繼——對於醫療機構本身和患者而言都是如此。因此,醫院正尋找減少這些費用負擔的方法,在不影響患者完全康復的情況下,讓患者儘快獲得舒適和自主性。實現此目標的一種方法是透過遠端監測和診斷裝置協助患者,如此他們就可回到家中休養。這些遠端病患監測功能包括心率、血壓、呼吸率、睡眠呼吸暫停、血糖值和體溫。

因此,這支持了「加速可攜式和無線醫療儀器成長的現有趨勢之一為門診治療」的假設。而結果是,許多此類可攜式電子監測系統必須內建射頻(RF)發送器,以便從患者監測系統所採集的任何資料都能輕鬆地直接發送回醫院的監控系統,讓主治醫師稍後可根據此資訊進行檢查和分析。

低功率的精準型零組件促成了可攜式和無線醫療器材的快速成長。然而,與許多其他應用不同的是,此類醫療產品對於可靠性、工作時間和堅固性通常具備更高的標準。而這大部份的負擔都落在電源系統及其元件上。醫療產品必須正確地運作,並且在交流(AC)電源插座、備份電池以及甚至採集環境能源等多種電源之間無縫切換。此外,還必須竭盡全力地提供針對各種不同故障情況的保護及耐受能力,儘量延長依靠電池供電時的作業時間,並確保每當連接至某種有效電源時,都能實現可靠的系統運作。

適於患者監測系統的潛在解決方案

有鑒於上述情形,理所當然地會認為「為患者提供適於家用醫療器材的開銷遠遠不及出於相同目的而讓患者住院治療所支付之費用」。不過,至關重要的是:患者使用的設備不僅必須十分可靠,而且還要能為患者提供防護!因此,這類產品的製造商和設計者必須確保其能依靠多種電源(包括備份能源)無縫地運作,從患者身上採集的資料具有高可靠性,並實現99.999%的無線資料傳輸完整性。這就要求系統設計者確保即將採用的電源管理架構不僅具備強固性和靈活性,而且還必須精巧和高效。如此,醫院和患者的需求都可相互獲得滿足。

幸運的是,凌力爾特(Linear Technology)等多家類比公司持續推出創新型產品,以提供針對上述問題的解決方案。由於醫療電子系統中有很多應用是即使在主電源中斷的情況下也需要連續運作功率,因此,關鍵的要求之一是實現低靜態電流以延長電池壽命。相對地,備用靜態電流小於9uA的開關穩壓器常常是使用者所需要的。事實上,有些依靠電池與能量採集組合作為主電源供電運作的新型系統,要求其靜態電流為個位數的微安級,或者在某些場合中甚至達到奈安(nA)級。這是此類「居家應用型」患者醫療電子系統獲得採用所必須達到的先決條件。

儘管開關穩壓器產生的雜訊較線性穩壓器更高,但其效率也更優越。只要開關電源以可預知的方式運作,雜訊和電磁干擾(EMI)級在許多敏感應用中是可控制的。如果開關穩壓器在正常模式中以定頻執行,而且開關邊緣乾淨和可預知(沒有過衝或高頻振鈴),則EMI便可抑制至最低。小型封裝尺寸和高作業頻率能夠提供小巧的佈局,從而大幅降低EMI輻射。此外,假如穩壓器可以使用低ESR陶瓷電容,則能儘量地減小輸入和輸出電壓漣波,這些漣波是系統中的額外雜訊來源。

當今多功能患者監測醫療裝置中的電源軌數量有所增加,而操作電壓則持續地下降。雖然如此,許多此類系統仍然要求採用3V、3.3V或3.6V電源軌,為低功率感測器、記憶體、微控制器(MCU)核心、I/O和邏輯電路供電。此外,由於其運作有時是生死攸關的,所以其中很多都配有一個電池備份系統,以防裝置的主電源發生故障。

傳統上,它們的電壓軌一直是由降壓開關穩壓器或低壓差穩壓器提供的。然而,此類IC並未利用電池單元的全工作範圍,因而縮短了裝置的潛在電池執行時間。於是,當採用升降壓轉換器(能提升或降低電壓)時,它將使電池的全工作範圍能得到利用。這增加了操作餘裕並延長電池執行時間,因為更多的電池壽命是可用的,尤其當它接近其放電曲線的低端時。

以能量採集作為電源

最近,在能量採集領域湧現了大量的創新成果;特別是採用人類自身的體熱作為一種潛在的能量來源,為電子監測系統供電,或為這些系統供電的電池進行再充電。這類技術進步實現了醫療電子元件尺寸和形狀的改變,以適應毫瓦(mW)和/或微瓦(uW)功率範圍。這意味著許多複雜的電子系統和裝置(例如穿戴式醫療和自主裝置)如今的功率消耗大約低於250μW。

而且,功率級約在數μW至數百mW範圍內的無線感測器網路通常採用電池電源運作。不過,由於電池電源內在侷限性(例如電荷的貯存壽命,以及應用中必須定期再充電)的原因,採用熱量或振動等環境能量源以實現「可再充電」電池定期再充電的可能性已經展露無遺。現在,該是介紹的時候了。

凌力爾特(Linear Technology)製造能量採集IC將近10年了,首款產品是2009年底上市的LTC3108。LTC3108是一款超低電壓DC/DC轉換器和電源管理器,專為採集和分配剩餘能量而設計,可從熱源產生極低的電壓。這可以是從「熱」到「更熱」,或從「冷」到「更冷」,因為唯一需要的是1℃或更大的溫度梯度。

更近期推出的產品是LTC3107,這是一款高整合度的DC/DC轉換器,專為透過採集和管理來自熱電產生器(TEG)和熱電堆等極低輸入電壓電源的剩餘能量,以延長低功率無線系統中的主電池壽命而設計。

採用LTC3107後,一個負載點能量採集器只佔用極小的空間,只要能夠容納LTC3107的3mm x 3mm DFN封裝和幾個外部元件即可。透過產生一個追蹤現有主電池之電壓的輸出電壓,可無縫地採用LTC3107以將免費熱能採集的成本節約帶到嶄新、和現有的電池供電型設計中。此外,LTC3107還能與一個小的熱能量源一起延長電池壽命(在有些場合中可長達電池的保質期),從而降低與電池更換有關且重複發生的維護成本。LTC3107專為增強電池或甚至完全為負載供電而設計,這取決於負載情況和可用的採集能量。圖1所示為LTC3107如何輕易地採集熱能來為無線感測器節點(WSN)供電,並在環境能量源不可用時無縫地切換至電池電源。

此外,LTC3331是一款多功能的環境能量採集器,形成了完整的穩壓能量採集解決方案,當採集的能量可用時,它可提供高達50mA的連續輸出電流以延長電池壽命,見圖2。當用採集的能量向負載提供穩壓功率時,該元件不需要電池提供電源電流,因而在無負載情況下用電池供電時,僅需要950nA的操作電流。LTC3331還整合了一個高電壓的能量採集電源和一個同步升降壓DC/DC轉換器(該轉換器由再充電主電池供電),從而為WSN和物聯網(IoT)裝置等能量採集應用提供不間斷的輸出。

20170919_Linear_TA31P1 圖1:能量採集IC (LTC3107)採集熱能,為WSN供電和/或為電池充電

20170919_Linear_TA31P2 圖2:電池充電器(LTC3331)能轉換多種能量來源,並能使用再充電的主電池

LTC3331的能量採集電源是由一個適合AC或DC輸入的全波橋式整流器和一個高效率同步降壓轉換器組成,從壓電(AC)、太陽能(DC)或磁性元件(AC)等來源採集能量。一個10mA的分路器以採集的能量實現簡便的電池充電,而低電量電池斷接功能則保護電池免於深度放電。充電電池可為1.8V至5.5V輸入範圍的同步升降壓轉換器供電,或當採集的能量無法用於調節輸出(無論輸入高於、低於或等於輸出)也可用該充電池。

在處理微功率電源時,LTC3331電池充電器擁有非常重要的電源管理功能,並納入對電池充電器的邏輯控制功能,以便僅在能量採集電源有多餘能量時才為電池充電。如果沒有這種邏輯控制功能,能量採集電源就會在啟動時卡在某個非最佳的工作點上,不能完成啟動,也就無法為目標應用供電。當採集的能源不再可用時,LTC3331可自動地轉換到電池。這提供了一個額外的好處,即:如果合適的環境能量採集電源至少有一半的時間可用,就能讓以電池供電的WSN工作壽命從10年延長至超過20年,假如環境能量源更普遍存在,那麼壽命甚至會更長。

結論

智慧型醫療穿戴式產品市場正蓄勢待發;醫院病患照護的高成本和呈爆炸性成長態勢的人口老齡化,都是影響這一市場成長的主要推動力。包括使用感測器的醫療與健身穿戴式裝置等新一波產品,都能監測關鍵的生物統計資訊,例如在醫院以外測量心率和血壓等,這為採取更加積極、健康的生活方式創造了機會。智慧型穿戴式裝置的核心架構取決於產品類型,但基本上是由一個MCU、MEMS感測器、無線連接電路、電池和支援電子元件共同組成。

因此,擁有目前這一波利用多種環境能量形式為人體健康監測裝置供電的多功能能量採集和IoT解決方案,便可在不影響患者康復的情況下,讓他們較快地返回自己家中療養。