高效升压转换器延长可穿戴医疗贴片电池寿命

可穿戴医疗设备通过持续记录和传输患者的健康状况来改变医疗保健行业。它们必须畅通无阻，并且依靠小型一次性电池持续数天。该设计解决方案回顾了可穿戴医疗贴片典型电源管理解决方案的缺点，并引入了一种满足指定工作寿命的新型高效率、低静态升压转换器。

介绍

物联网 （IoT） 将患者置于医疗保健系统的中心，实时监测生命体征，从而实现更好的健身、疾病预防和及时的医疗干预。可穿戴设备集成了传感器，以监测心率、呼吸、温度、步数、睡眠周期、压力水平以及用户是否跌倒或丧失行为能力。这些设备通过低功耗蓝牙无线链路将生命体征传输到基站，然后从那里传输到云端，患者和医生可以在其中访问实时数据。该设计解决方案回顾了为放置在患者胸部的可穿戴医疗贴片供电的挑战，以及使用单个一次性锌空气电池运行 5 天的能力。由典型升压转换器调节的电池电压无法满足器件工作时间要求。当由高效率、低静态升压转换器供电时，同一器件满足并超过了五天工作要求。®

典型的可穿戴医疗贴片系统

图2显示了一个典型的医疗贴片框图。一次性锌空气电池提供高达 160mAh 的电量，通过 DC-DC 升压稳压器为车载控制器、传感器和无线电供电。

图2.典型的医用可穿戴设备补丁框图。

在一个例子中，各种传感器收集数据4秒，然后由无线电以100ms突发传输到集中式接收器。 在检测模式下，升压转换器负载50μA的电流，而在传输模式下，它提供48mA电流以支持无线电电流脉冲。升压转换器负载曲线如图3所示。

图3.可穿戴医疗贴片电流曲线。

在一个典型的医疗可穿戴贴片应用中，系统必须仅使用一个一次性锌空气电池即可持续 5 天。典型的升压稳压器具有 10μA 的静态电流、85% 的峰值效率以及低电流时的效率和 81% 的效率。假设1.4V输入和3.3V输出电压，我们可以计算从电池汲取的平均电流如下：

1372μA的平均电流将导致电池无法运行5天（160mAh/1.372mA = 117小时）。

挑战

对于任何稳压器来说，用小尺寸PCB实现高效率和低静态电流都是一个挑战。增加稳压器的工作频率将减小无源器件的尺寸，但会增加损耗，从而降低其效率。将稳压器的输入工作范围降至几分之一伏至关重要，因为电池电压在工作期间持续下降。

随着可穿戴应用的激增，需要多种定制版本的稳压器，特别是在输入/输出电压和电流规格方面。因此，医疗可穿戴贴片制造商可能被迫维护不同调节器以及支持它们所需的无源器件的大量且昂贵的库存。

最先进的解决方案

例如，MAX17224毫微功耗同步升压转换器具有极高的效率、400mV至5.5V输入范围、1A峰值电感电流限值以及可通过单个标准1%电阻选择的输出电压。新颖的真关断™模式可产生纳安级的漏电流，使其成为真正的毫微功耗器件。

静态电流优势

参考图4，输入静态电流（I秦） 的 IC 为 0.5nA （启动后使能开路）和输出静态电流 （I库特） 为 300nA。

图4.具有较低关断和静态电流的升压转换器。

为了计算总输入静态电流，需要额外的输入电流来馈送输出电流（IQOUT_IN） 必须添加到 I秦.由于输出功率与输入功率的关系与效率（P外= PIN x ？），因此：

我QOUT_IN= I库特x （V外/V在)/η

如果 V在= 1.4V， V外= 3.3V，效率 ？= 88% 在低电流下，我们有：

我QOUT_IN= 300nA x （3.3/1.4）/0.88 = 803.5nA

将803.5nA与0.5nA的输入电流相加，得到804nA的总输入静态电流（I清特).该静态电流比典型升压稳压器的10μA低12倍，如前例所述。

效率优势

升压转换器 IC 具有低 R德森，板载动力总成 MOSFET 晶体管，即使在足够高的频率下工作，也能产生出色的效率，以保证较小的整体 PCB 尺寸（图 5）。

图5.高效率升压转换器，具有低导通电阻、板载动力总成 MOSFET 晶体管。

升压转换器在峰值电流下的效率为 92.5%，静态电流为 0.8μA，可穿戴医疗贴片可以满足并超过所需的 5 天工作时间（见表 1）。

表 1.两个稳压器的电池寿命比较

160毫安时，V在= 1.4V， V外= 3.3V
	升压 （η %）	升压静态电流 （μA）	提升平均负载 （mA）	电池续航时间（小时）	电池续航时间（天）
MAX17224	92.5	0.8	1.26	127	> 5
竞争者	85	10	1.37	117	< 5

启用瞬态保护模式

该 IC 包括一个使能瞬态保护 （ETP） 模式选项。当存在上拉电阻时，由输出电容供电的额外片内电路可确保EN在输入端发生短暂瞬态干扰时保持高电平。在这种情况下，上面计算的静态电流增加了几十纳安。

物料清单优势和智能 V外选择

MAX17224省去了用于设置输出电压值的传统电阻分压器，取而代之的是单输出选择电阻（RSEL），如图 4 所示。该芯片使用专有方案来读取RSEL仅在启动时消耗高达 200μA 的值。单个标准 1% 电阻器设置 33 种不同输出电压之一，在 1.8V 和 5V 之间以 100mV 的增量相隔。结果是BOM略有减少（少了一个电阻），简化了库存（一个稳压器用于多种应用），并降低了静态电流。

结论

物联网与低功耗无线数据传输协议相结合，通过可穿戴设备能够连续和实时地监测患者的生命体征。我们回顾了使用小型一次性160mAh锌空气电池为可穿戴医疗贴片供电的挑战。调节电池电压的典型升压转换器无法满足可穿戴设备的五天工作要求。另一方面，高效率、低静态升压转换器可以满足并超过五天运行的要求。

审核编辑：郭婷