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超小型无线电SoC与创新的电池技术结合

Dialog半导体公司 2020-05-29 10:36 次阅读

超小型无线电SoC与创新的电池技术结合,使低成本的医疗电子产品也能连网。


物联网(IoT)在很短的时间里颠覆了很多行业。但是,医疗和医药领域在采用物联网的进程中受到了很大的阻碍。

这并不完全令人惊讶。医疗领域的高度监管措施,加上推出新的医护技术关系到患者的性命,使得新医疗设备的开发周期变得更长。但是,围绕功率、尺寸和成本的设计工程困难是使一次性智慧医疗设备无法广泛开发和采用的最大因素。

对于开发人员而言,想要设计能满足必要的尺寸、功耗和成本要求的基于IoT的医疗设备,现在有一个途径可供选择。

开发一次性智慧医疗设备的主要障碍之一是成本。在小尺寸的设计中集成SoC和必要的外部元件,例如血压仪、血糖仪或药物吸入器,成本会比较昂贵。成本贵的原因在于:需要两个晶振而不是单个低功耗晶振;四层PCB板,而不是相对便宜且简单的双层电路板;以及昂贵的电池。只要物料清单(BOM)成本依然很高,并且产品没有做到小型化,那么联网医疗设备被大众市场采用的速度就会非常慢。

除了BOM成本外,医疗设备设计人员还必须应对功耗问题。一次性医疗产品必须具有较长的货架寿命。18个月到几年的产品保质期并不罕见,加上几周到几个月的相对较短的活跃使用寿命。在货架期间,产品可能会因自放电、泄漏电流、以及产品本身原因而导致电池容量下降。那么当开始使用产品时,可能没有足够的电池容量来支撑完成整个使用周期。显然,患者和医生都需要IoT医疗设备是可靠的,既能治疗患者,又能提供必要的数据以确保剂量和测试正确进行。

最后还有个一次性的问题。一次性医疗设备的性质是,它们只被使用14天到2个月不等。考虑到使用寿命短和成本高,保险公司自然不愿意把它们纳入到保险范围中。

解决所有这些挑战的答案在于电池,具体来说,是实现一次性氧化银或印刷电池的使用。近来,高能量薄膜锂电池和印刷可充电锌电池都已经实现商业化。但是,对于这些技术是否已准备好进行大规模采用还存在疑问。

与传统的电池制造技术相比,通过3D打印制造电池具有多个优势。一方面,可以将电池组件直接印刷在装有其它电子器件的PCB板上。这样一来,可以去掉分立电池所需的组装和封装步骤。另外,印刷工艺也可以实现较复杂的电池架构,这种架构或许无法通过其他方式实现。印刷方法可以调节电极的形状和厚度,并印刷稳定且安全的固态电解液。

印刷锌电池看起来比较有前景。Impact Energy的一种此类电池使用了稳定、可充电且不需要密封容器的高电导率聚合物电解液(HCPE)。由于化学物质是基于锌而不是锂,因此避免了一些锂技术相关的安全问题。此外,钛酸锂(LTO)和磷酸铁锂(LFP)是3D打印电池中常用的阳极和阴极材料,不过,碳纳米材料也有望用作电极。碳纳米管和碳纳米纤维由于其高机械强度、高化学稳定性、大比表面积、以及优异的电学和热学性质,而被广泛用于印刷油墨中。

此外,印刷电池电解液也有助于降低制造成本。电解液充当催化剂,促进离子在充电时从阴极到阳极的移动,并在放电时进行相反方向的移动。电解液材料在电池的电化学性能、寿命周期和安全性方面起着关键作用。

在印刷电池可以实现广泛的商业化之前,仍然存在许多挑战。其中一个问题是,目前只有少数可印刷活性材料可用作印刷油墨。此外,要表征电池油墨作用在其他油墨上时的行为表现,还有很多工作要做。尽管在电极和电解液材料方面已经进行了大量工作,但集流材料还需要进行一系列的优化。

技术就绪后,医疗保健应用将可能从超薄3D打印的电池中受益匪浅。使用印刷电池的智能皮肤贴片(skin patch)已经商业化。智能皮肤贴片使用层状(laminar)电池,通常采用部分印刷,再加上印刷的电极图案,通过皮肤输送药物、护肤品和其他化学物质。医疗诊断设备或将受益。

无线传感器/网络应用也将受益。在这个领域,趋势是将能量收集与薄型电池相结合,以减小封装尺寸。类似的,新的小型电池将成为电池供电无源RFID的福音,尽管目前主要使用纽扣电池。智能卡应用程序是另一种应用,一些薄膜电池技术已对层压入卡进行了优化,不过对于一次性使用而言价格可能太高。

高峰值电流会降低电池容量和缩短使用寿命。DC-DC转换器中可能会产生高浪涌电流,这些电流倾向于在电源输入上合并大量电容,以避免电源轨上发生压降。最初通电时,这些电容器的充电会导致浪涌电流,可能会超过额定负载电流。如果不解决这个问题,那么高电流会导致电压轨失调,可能使系统不稳定或使其处于不可预测的状态。有多种限制浪涌电流的方法。例如,一些BLE器件内置了限流器。

总而言之,医疗设备的审核周期很长,在进入主流市场前,可能需要几年的过程。但是,这些设备在患者护理方面具有改变游戏规则的潜力,而这一切从解决这些长期存在的设计挑战开始。
 

Dialog半导体公司的SmartBond蓝牙低功耗5.1系统级芯片DA14531是用于设计智慧医疗设备的一个平台示例,以上图片是该器件的开发套件主板和子板。DA14531是用于信标和追踪器设备等应用的小型低功耗SoC,可以使用任何类型的(一次性)电池,包括3V纽扣电池、1.5V碱性纽扣电池、1.4V锌空电池、以及印刷电池。DA14531支持DC-DC峰值电流控制,允许使用具有较高内阻的小容量(例如<20 mAh)电池工作。该SoC支持2.5 dBm的输出功率和96.5 dBm的链路预算。使用带有外部唤醒触发器的休眠模式时,睡眠电流可低至700 nA。DA14531可用于(一次性)智能标签、信标或追踪器。
 

原文标题:为物联网开发智慧医疗设备

文章出处:【微信号:Dialog_Semiconductor,微信公众号:Dialog半导体公司】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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