電池醫(yī)療設(shè)備供電

Reliably powering on a battery-operated medical device

電池供電、無線連接的設(shè)備在當(dāng)今社會(huì)越來越普及。在無線和電池技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，再加上耗電更少的電子元件不斷萎縮，以及隨時(shí)準(zhǔn)備收集、分析和傳播數(shù)據(jù)的云端服務(wù)，這些設(shè)備普遍存在于消費(fèi)、醫(yī)療和可穿戴設(shè)備以及商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中。

無論該設(shè)備是可穿戴式連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀（CGM）、可攝取或植入式醫(yī)療設(shè)備，還是智能家居設(shè)備、資產(chǎn)跟蹤器或環(huán)境監(jiān)測(cè)器，都具有體積小、壽命長、可靠性高、使用方便等共同要求。這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者面臨的一個(gè)主要問題是在需要時(shí)打開設(shè)備電源。

只有在需要時(shí)才給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電（或在部署前保持?jǐn)嚯?#xff09;至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者希望使用最小、成本最低的電池。因此，延長電池壽命一直是一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)；在使用過程中以及在通電之前，電池的耗電量必須最小化。

一個(gè)流行的例子是給1型或2型糖尿病患者開的CGM。該裝置附著在患者身體上，持續(xù)監(jiān)測(cè)患者的血糖水平。結(jié)果數(shù)據(jù)被無線傳輸?shù)交颊摺⑨t(yī)生和/或胰島素泵。CGMs必須非常小，“防水”，易于連接，并且在電池電量耗盡前具有相當(dāng)長的壽命。

在使用或部署時(shí)為這些設(shè)備供電有三個(gè)基本選項(xiàng)。對(duì)于每個(gè)選項(xiàng)，需要考慮的基本變量是電池電流消耗、尺寸、入口保護(hù)和用戶友好性。

圖1:TMR磁傳感器在超小型封裝尺寸中幾乎提供零功耗，其非接觸式“通電”功能提高了易用性。

第一個(gè)“通電”選項(xiàng)是機(jī)電式的，或者是普通的“開關(guān)”。這個(gè)選項(xiàng)是大多數(shù)電池供電的電子設(shè)備，如筆記本電腦和電話。盡管開關(guān)有多種形式（如按鈕、滑塊或撥動(dòng)），但工作原理相同，即打開和關(guān)閉機(jī)械觸點(diǎn)，以允許電流流動(dòng)（閉合時(shí)）或完全阻止電流流動(dòng)（打開時(shí)）。

對(duì)于電流消耗的首要考慮，機(jī)電開關(guān)是一種不消耗電力的無源器件，因此效率很高。然而，就尺寸而言，機(jī)械開關(guān)是一個(gè)糟糕的選擇，尤其是考慮到許多可穿戴、可攝取和植入式醫(yī)療設(shè)備以及其小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸限制。

就進(jìn)入保護(hù)而言（或需要一個(gè)不透水和防潮的設(shè)備），機(jī)械開關(guān)不是最佳選擇，因?yàn)樵O(shè)計(jì)一個(gè)可以由用戶機(jī)械移動(dòng)到開/關(guān)位置，同時(shí)保持不透水性的開關(guān)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

最后，出于兩個(gè)原因，考慮到用戶友好性或易用性，機(jī)械開關(guān)的使用率很低。首先，由于用戶必須實(shí)際采取這一步驟（而且許多設(shè)備需要得到指示才能這樣做），因此對(duì)許多設(shè)備的要求是“開箱即用”即與手動(dòng)操作的開關(guān)明顯沖突。其次，一個(gè)非常小的機(jī)械開關(guān)，需要一個(gè)非常小的設(shè)備，可能會(huì)對(duì)用戶實(shí)際將開關(guān)移動(dòng)到打開位置的能力造成問題，從而降低可用性。因此，總的來說，機(jī)械開關(guān)在電流消耗方面得分很高，但相對(duì)于入口保護(hù)、尺寸和易用性來說非常低。

無線開機(jī)是分析的第二個(gè)選項(xiàng)。因?yàn)檫@些設(shè)備已經(jīng)具備了傳輸數(shù)據(jù)的無線功能，所以從技術(shù)上講，設(shè)計(jì)者可以使用同樣的無線功能，從移動(dòng)電話應(yīng)用程序?yàn)樵O(shè)備供電。

從入口保護(hù)的角度來看，無線供電的評(píng)價(jià)非常高。而且從尺寸的角度來看，無線供電也有很高的價(jià)格，因?yàn)闆]有更多的東西可以添加到設(shè)備中來實(shí)現(xiàn)這一功能。

然而，從電流消耗的角度來看，無線開機(jī)得分非常低，因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)部的無線接收器必須通電才能接收到通電的信號(hào)。僅出于這個(gè)原因，無線開機(jī)很少用于對(duì)電池壽命有嚴(yán)格要求的設(shè)備。

圖2：技術(shù)比較

第三種選擇是使用設(shè)備內(nèi)部的磁性傳感器來啟動(dòng)通電功能。在這種情況下，向傳感器施加磁場以觸發(fā)通電。磁場通常由位于產(chǎn)品包裝內(nèi)或設(shè)備的輔助部件（例如CGM的應(yīng)用程序）中的磁鐵產(chǎn)生。用戶也可以用手持式磁鐵在設(shè)備上滑動(dòng)來施加磁場。

磁感應(yīng)在入口保護(hù)方面得分很高（因?yàn)槭且环N“無接觸”的方法）。磁感應(yīng)在易用性方面得分也非常高，尤其是當(dāng)磁鐵可以嵌入設(shè)備包裝（實(shí)現(xiàn)“開箱即用”電源）或設(shè)備的輔助部件（如治療探頭）時(shí)。有時(shí)，設(shè)備本身被設(shè)計(jì)成兩個(gè)組件，在部署時(shí)必須連接在一起。

從電流消耗和尺寸來看，磁感應(yīng)的可取性完全取決于磁感應(yīng)技術(shù)。更古老、更傳統(tǒng)的磁感應(yīng)技術(shù)類型要么體積小但功耗高（霍爾效應(yīng)），要么體積大而功耗低（簧片開關(guān)）。

然而，許多新器件都采用了一種新的磁感應(yīng)技術(shù)，稱為隧道磁阻（TMR），這種技術(shù)具有體積非常小（如LGA-4一樣小）和極低的功耗，類似于簧片開關(guān)。實(shí)際上，TMR磁傳感器提供了“兩個(gè)世界中最好的”

隨著當(dāng)前旨在使生活更輕松、更安全、無接觸和/或可遠(yuǎn)程操作的新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，電子設(shè)計(jì)人員不得不采用新技術(shù)來滿足電池驅(qū)動(dòng)的可穿戴設(shè)備、植入式設(shè)備、可攝取設(shè)備和其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷發(fā)展的需求。在與小尺寸、低功耗、入口保護(hù)和易用性相關(guān)的最佳性能方面，磁性傳感器——尤其是TMR傳感器技術(shù)——正在幫助實(shí)現(xiàn)“不可能”的設(shè)計(jì)。

總結(jié)

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