低功耗醫療電子設備的設計
Microchip醫療產品部經理Steve Kennelly
摘要： 本文介紹了通過使用最新的MCU，設計人員如何在電子醫療設備的設計中實現功耗管理技術并降低其功耗。通過最大程度降低醫療設備中的功耗，可以減少熱量的產生，并支持采用較小的電池。進而，可以延長設備的工作壽命，提高患者的配合度，并減小設備的物理尺寸。
Abstract：
Key words :
便攜式醫療設備設計人員正面臨著一些特殊的挑戰。他們所涉及的領域因嚴格的監管審查、持久的設計和使用周期，以及對最終產品的穩健性有非同一般的要求而眾所周知。此外，一些對于所有電子設備來說很普通的設計目標，一旦牽涉到醫療設備時就產生了特殊的重要意義。例如，低功耗始終都是便攜式電子設備設計人員的目標。功耗越低意味著電池可以變得更小、更輕，這樣可以提高產品的便攜性。對于醫療設備來說，便攜性的提高對患者的生命質量而言意義非凡。甚至患者的生命可能直接依賴于電池壽命。本文將說明設計人員如何利用單片機(MCU)來降低醫療設備的功耗要求。
電壓和電池壽命
在低功耗應用中，MCU的靜態功耗是一個重要的品質因素。一些具有高級處理技術的MCU在休眠模式下消耗的電流可低于50nA。為了適用于各種低功耗設計，MCU能在寬泛的電壓范圍下工作很重要。例如，在使用堿性電池時，通常指定1.8V的工作電壓，因為每節電池的最終電壓為0.9V，而在應用中通常使用兩節電池。選擇可在寬泛電壓范圍下工作的MCU可以延長便攜式設備的工作壽命。但是，MCU的工作電壓范圍并不是唯一的決定因素。必須考慮整個系統的工作電壓范圍，包括MCU上的外設。如果系統中的單個外設需要消耗大部分的能耗，那么僅降低MCU的功耗對系統總功耗幾乎沒有什么影響。
降低功耗的方法
1.外設電源切換
便攜式嵌入式系統功耗管理的基本原則是讓MCU能夠控制內部和外部外設的功耗。設計便攜式醫療設備時，先確定必需的物理模式或狀態，然后對設計進行分解，以便關閉不需要的電路。從眾多不同的供應商中選擇合適的MCU可以幫助您去除外部元件和降低成本。如前所述，可在寬泛電壓范圍下工作的MCU可以增強系統設計的功能性。
圖1：在該醫療數據記錄器應用中，MCU的I/O引腳可以用于對EEPROM和傳感器供電。
讓我們以一個基于MCU的數據記錄醫療監視器為例來說明如何最大程度地降低整個系統的功耗，這個監視器包含了傳感器、EEPROM和電池(見圖1)。在實際應用中，傳感器可以測量溫度、氧飽和度、血壓、血糖濃度或許多其他量的測量。該醫療設備將用于監視患者在幾個小時或更長時間內的病情。在該示例中，MCU每隔2秒獲取傳感器讀數、對傳感器數據進行換算、將數據存儲到外部EEPROM存儲器中，然后等待下一個傳感器讀數。如果不需要考慮功耗，則可以一直對EEPROM、傳感器及其偏置電路供電。但是，由于它是便攜式醫療設備，高效使用可用電源是非常重要的。那么，怎樣做才能降低此類系統的功耗呢？解決方案是讓MCU在不需要這些外設時通過程序控制關閉它們。如圖1所示，設計人員可以利用MCU的I/O引腳和一些代碼字節，在需要時對EEPROM和傳感器供電。由于所選MCU的I/O引腳最高可以提供 20mA的電流，因此切換電源不需要額外的元件。
2.MCU功耗管理模式
嵌入式應用中節省功耗的一種通用方式是在系統對MCU的資源需求很低時，定期將MCU置為休眠模式。在我們的示例中，系統每隔2秒進行一次測量。如果實際需要11 ms進行測量和存儲結果，則MCU可在兩次測量之間休眠1989 ms。允許MCU休眠的時間越長，則應用消耗的平均功耗就越低。系統的MCU通過中斷或通過看門狗定時器超時事件喚醒。確保應用具有合適的看門狗超時持續時間很重要。通常，按如下方式工作：如果應用需要MCU每隔一段固定時間處理一次數據采樣，那么看門狗定時器應在所要求的時間周期內喚醒MCU一次。使用該功能時，需要選擇支持相應的看門狗周期的MCU。
3.計算總平均功耗
通過使用稱為功耗預算的技術，我們將說明設計人員如何估算應用中的電流消耗和電池壽命。同樣，以圖 1為例，數據記錄器應用不斷經歷以下各種模式：休眠、傳感器預熱、檢測、數據換算和存儲。通過對處理循環的分析，可以確定每個周期中每種模式所占用的時間。然后，從廠商提供的相應器件數據手冊中獲取備選器件的電流消耗數值。將每種模式下需要的總電流乘以該模式的持續時間，就可以得到每個循環周期中在該模式下消耗的電荷量。根據表1可知，數據記錄器應用的每個循環周期需要2000ms，需要的總電荷量為18.8 e-6安培*秒。根據表1的數據，可以推算出平均電流為0.009mA，如下：
平均電流（mA） = 總電荷量（安培 * 秒）/總時間（秒）
= 18.8 e-6/2000 e-3 = 0.009mA
峰值電流 = 2.048mA
本文小結
本文介紹了通過使用最新的MCU，設計人員如何在電子醫療設備的設計中實現功耗管理技術并降低其功耗。通過最大程度降低醫療設備中的功耗，可以減少熱量的產生，并支持采用較小的電池。進而，可以延長設備的工作壽命，提高患者的配合度，并減小設備的物理尺寸。
表1：醫療數據記錄器應用的功耗預算計算；對于圖1中采用的元件，使用數據手冊中的典型值來計算電流消耗。
本文介紹了通過使用最新的MCU，設計人員如何在電子醫療設備的設計中實現功耗管理技術并降低其功耗。通過最大程度降低醫療設備中的功耗，可以減少熱量的產生，并支持采用較小的電池。進而，可以延長設備的工作壽命，提高患者的配合度，并減小設備的物理尺寸。
表1：醫療數據記錄器應用的功耗預算計算；對于圖1中采用的元件，使用數據手冊中的典型值來計算電流消耗。
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