芯海科技CS1262：高精度全场景PPG AFE新品上市

6月22日，由旭日大数据、潮电智库联合智能穿戴产业联盟共同举办的“第四届智能手表技术趋势峰会”于深圳热烈启幕。芯海科技（股票代码：688595）携全新高端PPG AFE新品CS1262闪靓登场。
 
芯海科技CS1262作为关键性能指标赶超业界一流水平，首款适配OpenHarmony的PPG产品，可以与主流AFE设计兼容，能够为用户提供高配置、高精度测量、超强抗干扰、低功耗、全肤色支持、高可靠及易用性等七大核心价值。
 
以下将为您悉心揭露CS1262的神秘面纱！

芯海科技展位现场

芯海科技1262应用：血压手表

 
图片芯海科技资深产品经理彭洪伟（左二）出席圆桌探讨

 
当前，随着社会经济发展、人口老龄化以及COVID-19持续肆虐，人们的健康意识不断增强。与此同时，微电子技术的不断进步，生命体征测量技术也因而迅速发展，市场上越来越多的穿戴设备支持生命体征的监测，如智能手环、耳机、健康手表等。
 
PPG作为穿戴式生命体征测量三大技术（PPG、ECG、BIA）之一，通过非侵入式和无感的方式，可连续测量心率、血氧SPO2、心率变异性HRV、血压等健康指标。可通过健康手表、智能手环的终端产品，采用健康测量算法及AIoT连接，打造私人健康卫士。
 
一、PPG测量技术原理

图1 PPG信号检测系统

图2 PPG信号

 
PPG是Photoplethysmograph光电容积脉搏波描记法的缩写，是一种利用光电信号检测由动脉搏动造成的血液容积变化的技术，PPG波形是一个随血液容积变化的脉搏波。
 
如图1所示，PPG测量系统由LED、PD（光电传感器）及AFE（驱动LED和检测PD信号）组成，通过LED光照射人体皮肤表面、组织和血管，产生动脉搏动调制信息的光信号，再被PD光电传感器检测获取数据信息。
 
如图2所示，该信号包含两个部分：一是调制了动脉血管变化信息的光信号 AC信号IAC ，另一个是没有调制动脉变化信息的光也就是稳定的DC信号IDC。分析AC信号可以获取心率HR值，根据Lambert-Beer定律，分析红光和红外光的AC和DC比例关系可以获取血氧SPO2值。

图3光子运动轨迹仿真

从1974年Takuo Aoyagi 发明PPG测量方法至今，传统指甲式血氧仪已经很成熟。最近几年，健康测量手表的出现却带来了新的挑战。测量部位从手指变化到手腕，测量场景从静息到全场景运动类型，对AFE芯片提出了更加苛刻的要求。
 
如图3所示，手腕的组织光学仿真中描绘了10个光子的运动轨迹，只有红色标注的1个光子捕捉到有效的AC信号。实际上手指的有效信号是手腕的的几十倍以上，再加上处理运动带来的伪影，对AFE的性能指标提出了新的需求。芯海的CS1262就是一颗具有高SNR，低功耗特性和考虑全场景应用的AFE。
 
二、CS1262的产品优势概要

 
图4 CS1262系统框图

CS1262是一颗高性能PPG AFE。高准确度：高达110dB的动态范围，支持4PD*12相位的48路有效数据采集，内嵌驱动能力高达250mA的LED Driver可支持8路LED输出。超强抗干扰：PSRR大于90dB，环境光抑制能力强模拟环境光消减高达±200uA。低功耗：83uA@100Hz@4Ch@2阶环境光消减，54uA@100Hz@1Ch@2阶环境光消减。
 
三、CS1262的微弱信号捕捉能力

 
图5 CS1262 SNR VS 增益电阻
 
图6 PI≈0.1%手腕处的PPG信号

 
高达110dB的动态范围，97.5dB的SNR@500KΩ（dBFS)和±63.875uA的LED消减电流，为CS1262提供了强大的微弱信号捕捉能力。相比友商109dB的动态范围，96dB的SNR@500KΩ（dBFS)更胜一筹。
 
如图6所示，CS1262采集到手腕上的红光和红外PPG信号，PI灌注度水平在千分之一，脉搏波形清晰可见，为后续算法的处理提供了强有力的支撑。
 
四、CS1262满足全场景应用
 

 
 
图7 静息、步行、跑步等场景下PPG信号频谱

 
CS1262高达110dB的动态范围，具备自动模拟环境光消减功能、±200uA的消减范围及优越的相位信号低残余特性，使之具备在复杂运动场景下捕捉PPG信号的能力。强大的LED驱动能力和高达8LED*4PD的光电传感器矩阵布局，保证了复杂肤色、复杂测试环境下的高准确性检测。
 
如图7所示，在多运动场景下，CS1262采集的心率频谱清晰且连续稳定。
 
五、CS1262的低功耗特性

表1 不同使用场景下的功耗

PRF为5Hz时低至13.3uA的工作电流，在穿戴设备和睡眠健康监测应用场景，CS1262绝不缺席，是持久可靠的贴身健康卫士。CS1262低至54uA的功耗@PRF100Hz，优于友商100uA@PRF100Hz 。该低功耗特性为穿戴设备提供了更高的能效比，更持久的续航能力。
 
CS1262并不只是一款单一产品规划，而是芯海科技在智慧健康测量产品系列的重要组成，未来将会与公司的BIA、ECG等多种SOC/模拟前端芯片产品，形成系列化芯片组合，搭配健康测量算法、无线连接及配套标准方案，实现健康与智能的融合，赋能更多高端健康设备、高端消费电子产品当中。