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半導體技術的進步讓重量輕、尺寸小的可穿戴超低功耗電池供電嵌入式系統成為可能。這些系統通常具有功能強大的超低功耗微控制器，其連接一組非常復雜的傳感器，同時通過到外部系統的低功耗RF鏈路進行通信。功能強大的超低功耗微控制器、超低功耗模擬身體信號傳感器和創新型電源與電池管理電路相結合，共同推動了可穿戴醫療保健市場的發展。
可穿戴式醫療設備可以監測身體信號多年，為醫師提供有用的健康診斷信息。同樣的監測設備還被應用到了高性能運動應用中，幫助優化身體機能。可穿戴身體信號監控產品現在能夠以更低的價格為健康和機能優化市場的用戶提供同類型的信息。
對于健康感測和監測，一般在臨床環境下監視的信號幾乎都可以通過可穿戴產品獲得。這些傳統信號包括：
脈搏/心率
血氧
壓力
心電圖（EKG/ECG）
體溫
紫外線（皮膚暴露）
圖1 可穿戴醫療保健監視平臺框圖
可穿戴醫療保健監視平臺系統構成
這個系統由高性能、復雜集成電路實現。系統中IC的功率已經得到優化，可以采用小巧的輕質可充電鋰離子電池或可更換的不可充電紐扣電池提供身體信號監測功能。
雖然許多產品的主要特性是通過固件算法來實現的，但物理設計提供了一個平臺來承載這些特性。一旦平臺開發完成，它就可以重新用于各種不同的產品。
電源和電池管理
功率對于任何可穿戴醫療保健平臺而言都是一個非常重要的方面。這類產品必須小巧，而且不是侵入性的，因此必須采用非常小而輕便的電池。電池的可用電荷與平臺的功耗特性決定了產品的可用性。人們通常希望任何可穿戴產品至少可以工作一天才需要充電。采用不可充電電池的產品應該具有數月的電池壽命。
對于采用可充電電池的設備，電池管理系統必須包括1個電池充電器和1個電池電量計。電池管理系統必須允許設備邊充電邊工作。
由于電池是一個電壓輸出不斷下降的電壓源，因此電源系統必須能夠調節電池電壓。穩壓器的效率必須很高，以便將電荷利用最大化，并且還必須提供設計所需數量的軌道。可充電鋰電池的可用電壓范圍為4.2V~3.2V。大多數可穿戴產品都使用低于單節鋰電池最低電荷的主電源軌，所以可穿戴設計中的主軌來自于降壓穩壓器。可穿戴產品中的某些功能需要的電壓電平可能高于單節電池提供的。為了提供這些電壓電平，電源管理功能必須至少含有1個升壓穩壓器。所需電源軌的數目取決于設備的功能，但是為了實現最佳效率，它需要盡量減少所需電源軌道的數目。
處理器
為該應用選擇微控制器時，用電量和處理能力是最重要的決定因素。應該采用一種系統分區策略來決定哪些系統功能最好要集成到微控制器中，哪些則可以從外部處理。因為可穿戴健康設備對讀取身體信號，所以任何片上數據模擬電路的功能也要考慮在內，方可確保它們能準確處理低級身體信號。
對于微控制器而言，提供2種通用低功耗策略：
一種微控制器中包含所需要的全部或大部分精密模擬電路；
另一種低成本微控制器不具備精密模擬功能。
如果選擇了成本較低的微控制器，精密信號轉換必須在外部信號處理鏈上進行，以數字方式將傳感器信號輸入到微控制器中。超小、高精度、低功耗模擬電路可用來支持該選項。
可穿戴應用最常用的微控制器采用針對低功耗進行了優化的ARM架構。根據器件處理要求的不同，處理器將介于16位到32位之間。處理器將整合多個功耗模式，系統軟件會具有可編程關斷和基于傳感器的喚醒功能。
傳感器和傳感器接口
許多傳感器可用于監測可穿戴器件內的身體信號。用于獲取身體信號的傳感器技術已問世多年，但直到最近才可以利用傳感器提供良好的信號，而無需消耗大量功率。
傳感器技術可用于測量：
血氧
心率
ECG/EKG
壓力
溫度
來自這些傳感器的電輸出非常小，在毫伏范圍內。然而，許多這些常見傳感器已在單個封裝內整合了放大和轉換電路，這樣它們就可以輸出更高級的模擬信號或者串行化數字信號。這些傳感器的接口電路專門用于超低功耗操作。
至于心電圖傳感器，這些基本上都是物理皮膚接觸，采集皮膚區域周圍極小的電場并將信號傳輸到EKG信號鏈上。低成本可穿戴心電圖僅限于2至3個接觸點，并且不提供有9至11個傳感器分散在身體各處并附于戰略點上、成本較高的專業ECG/EKG系統的分辨率。
通信
現代可穿戴器件一般全都提供一個微型USB端口，用于海量數據傳輸、固件更新和電池充電。此外，許多可穿戴健康產品采用低功率無線收發器，以便在使用該設備的過程中實時發送和接收數據。無線傳輸允許數據傳輸到更大的顯示屏或者遠程數據采集設備上。低功耗藍牙就是用于該目的的新興標準。此外，NFC（近場通信）提供范圍有限的無線連接，非常適合短內容傳輸，如配置信息和記錄的數據檢索。
Maxim MAX66242安全RFID標簽可以驗證用戶身份，從而通過NFC只接受來自于已驗證源的通信。
用戶接口
可穿戴產品的用戶界面會根據所需功能的變化而變化。低功耗設計至關重要，所以顯示器尺寸要最小化。根據產品的不同，用戶界面將包括1個單行LCD顯示器與幾個控制按鈕。需要顯示更多信息的產品會具有1個低功耗TFT顯示器，很有可能包含觸摸屏功能。
由于處理能力已變得如此便宜而又功能強大，所以許多可穿戴器件最終可能會具有語音命令接口。
主要元器件
健康測量微控制器MAX32600
MAX32600微控制器基于工作頻率高達24MHz的行業標準ARM Cortex-M3 32位RISC CPU。它包含256KB閃存、32KB SRAM、1個2KB指令緩存和集成式高性能模擬外設。
MAX32600采用192焊球12mm×12mm CTBGA 120焊球7mm×7mm CTBGA和108焊球WLP封裝。
除了Maxim提供免費的工具，MAX32600還支持IAR的嵌入式Workbench。IAR嵌入式Workbench在1個IDE內整合了1個編譯器、1個匯編程序、1個連接器和1個調試器。它簡便易用，提供了先進、高效率優化功能，與硬件、RTOS產品和中間件高度集成。面向ARM的IAR嵌入式Workbench提供幾種版本，包括專門用于ARM Cortex-M內核系列的產品套裝。
MAX32600主要特性
集成式AFE能夠以最少的分立器件實現精密健康測量
轉換率：高達500ksps
具有1、2、4和8增益與旁路模式的PGA
差分8：1或單端16：1輸入多路復用器
用于測量VDDA3的內部多路復用器輸入
內部或外部參考電壓
兩個12位DAC和2個8位DAC
四個運算放大器
四個低功耗比較器
四個通用SPST模擬開關
四個接地開關
八個100毫安LED驅動器對（吸收器）
內部溫度傳感器
利用可信保護單元保護寶貴的知識產權和數據
面向端對端安全的可信保護單元
AES硬件引擎
面向ECDSA和RSA的μMAA
硬件PRNG
用于安全密鑰存儲的快速擦除SRAM
業界最低的總系統功率延長了電池壽命
175μA/MHz有效功率，從緩存執行代碼
低功耗模式0（LP0）電流：低于1.0μA
多種電源管理模式，可優化功耗
外設時鐘控制
6通道DMA引擎支持在Micro處于睡眠模式時進行智能外設操作
MAX32600應用
血糖測量
皮膚電反應測量
脈搏血氧測量
可穿戴醫療器械
32位ARM健康傳感器AFE
圖2 MAX32600功能框圖
超低功耗立體聲音頻codec MAX98091
MAX98091是一款全面集成的音頻編解碼器，其性能高、功耗超低、尺寸小，是便攜式應用的理想之選。
該器件采用高度靈活的輸入方案，具有六個輸入引腳，可配置為模擬或數字麥克風輸入、差分或單端線路輸入或者滿標直接差分輸入。模擬輸入可發送給錄制路徑ADC或者任何模擬輸出混頻器。
該器件接受的主時鐘頻率為256×FS或10MHz~60MHz。數字音頻接口支持主或從模式操作、8kHz~96kHz的采樣率和標準PCM格式，例如I2S、左/右對齊和TDM。
錄制/回放路徑采用FlexSound技術DSP。這包括數字增益和濾波、雙二階濾波器（錄制）、動態范圍控制（回放）和七頻段參數均衡器（回放），可以通過優化頻率響應來提升揚聲器性能。
立體聲D類揚聲器放大器可高效放大，具有低輻射發射，支持無濾波操作，可以驅動4Ω和8Ω負載。DirectDrive立體聲H類耳機放大器提供了接地參考輸出，從而省去了大容量隔直流電容。該器件還包含1個差分接收器（耳機）放大器，它可以重新配置成一個立體聲單端線路輸出。
圖3 MAX98091簡化框圖
MAX98091主要特性
102分貝DR立體聲DAC
立體聲回放功耗：4.1mW
99分貝DR立體聲ADC
立體聲錄制功耗：4.5mW
3個立體聲單端/差分模擬麥克風/線路輸入
兩個PDM數字麥克風輸入
主時鐘頻率：256×FS或10MHz~60MHz
I2S/LJ/RJ/TDM數字音頻接口
FLEXSOUND技術信號處理
錄制路徑雙二階濾波器
回放路徑7頻段參數均衡器
回放路徑自動電平控制
數字濾波和增益/電平控制
立體聲低EMI D類揚聲器放大器
3.2W/通道（RL=4Ω，VSPKVDD=5V）
1.8W/通道（RL=8Ω，VSPKVDD=5V）
立體聲DirectDrive H類耳機放大器插孔檢測和識別
差分接收器放大器/立體聲線路輸出
大量噪聲抑制電路
RF抗干擾模擬輸入和輸出
可編程麥克風偏壓
I2C控制接口
56凸點0.4mm WLP和48引腳6mm×6mm×0.75mm TQFN封裝
MAX98091應用
平板電腦
低功耗超精度6+3DoF IMU（慣性測量單元）MAX21100
MAX21100是一款單片式3軸陀螺儀+3軸加速度計慣性測量單元（IMU），具有集成式9軸傳感器融合，采用專用運動合并引擎（MME），適于手機和平板電腦應用、游戲控制器、移動遙控器和其他消費類器件。
MAX21100是業界最準確的6+3DoF慣性測量單元，采用3mm×3mm×0.83mm封裝，可由電壓低至1.71V的電源供電。可以通過專用I2C Master連接外部磁力計。內部運動合并引擎（MME）可以靈活配置，以獲得最合適的精度-功率折中。
MAX21100采用16引腳塑料連接盤網格陣列（LGA）封裝，工作溫度范圍為-40℃~+85攝氏度。
圖4 MAX21100功能框圖
MAX21100主要特性
全面集成的低功耗運動合并引擎利用超快速低功耗（50μA）Maxim專有算法執行精密9DoF傳感器融合，具有：
四元數輸出
重力和航向輸出
加速度計（高達2kHz）和陀螺儀（高達8kHz）的高輸出數據率（ODR）
陀螺儀（250/500/1000/2000DPS）和加速度計（2/4/8/16G）的4個可選滿標度
I2C標準（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）串行接口/10MHz SPI接口
具有多種FIFO模式的128字節（64×16位）嵌入式FIFO
唯一的48位序列號充當晶片ID
電流：5.65mA（低噪聲模式下）和3.45mA（節能模式+MME活動下）
掉電模式下的電流消耗：1.2μA
從掉電模式接通需45ms和從待機模式接通需4ms
在整個溫度和時間范圍內均具有高穩定性：偏置穩定性為4°/小時
高抗沖擊能力（10，000g耐沖擊）
MAX21100應用
家電和機器人
GPS和慣性導航系統
健康和運動監控
具有HMI（人機界面）的運動控制
基于運動的3D鼠標和3D遙控器
基于運動的游戲控制器
微型2.1mmX1.6mm低功耗12位ADC MAX11108
MAX11108是一款微型（2.1mm×1.6mm）、12位、緊湊型、高速、低功耗、逐次逼近模擬/數字轉換器（ADC）。這款高性能ADC包括高動態范圍采樣/保持電路和高速串行接口。ADC接受0V至電源電壓或基準電壓的滿量程輸入范圍。
MAX11108具有一路單端模擬輸入，連接至ADC核心電路。器件還為數據接口提供獨立的電源輸入，并帶有專用的基準電壓輸入。
MAX11108的“通信”電壓范圍為1.5V~VDD，工作電壓為2.2V~3.6V。在3MSPS下，該器件僅消耗6.6mW功率，包含全掉電模式和快速喚醒，實現了最佳電源管理，具有高速3-wire串行接口。3-wire串行接口直接連至SPI/QSPI/MICROWIRE器件，無需外部邏輯。卓越的動態性能、低電壓、低功耗、易用性和極小的封裝尺寸使該轉換器非常適于便攜式電池供電數據采集應用以及需要低功耗和最小空間的應用。MAX11108采用ultra-TQFN（2.1mm×1.6mm）封裝，工作溫度范圍為-40℃~+125℃。
圖5 MAX11108應用電路
MAX11108主要特性
緊湊型ADC節省空間
單端模擬輸入12位分辨率ADC
3MSPS轉換率，無流水線延遲
73dB SNR
10引腳Ultra-TQFN（μDFN）2.1mm×1.6mm封裝
低功耗延長了電池壽命
6.6mW@3MSPS
功耗非常低：2.5μA/ksps
掉電電流：1.3μA
電源電壓范圍：2.2V~3.6V
可變I/O電壓范圍：1.5V~3.6V
輕松連接微控制器
SPI/QSPI/MICROWIRE兼容串行接口直接連至1.5V、1.8V、2.5V或3V數字系統
MAX11108應用
電池供電系統
通信系統
儀器儀表數據采集
醫療器械
移動
便攜式數據記錄
可穿戴充電管理方案MAX14676/14676A
MAX14676/MAX14676A是電池充電管理解決方案，是低功耗可穿戴應用的理想之選。這些器件包括1個帶有智能電源選擇器?的線性電池充電器、ModelGauge電量表和幾個功率優化外設。它們具有靜態電流為900nA（典型值）、效率為74％、輸出為10μA的超低功耗降壓穩壓器。
電池充電器提供智能電源選擇器操作，可以在電池沒電時繼續運行。它會寄存器設置限制輸入電流。如果充電器電源無法為整個系統負載供電，那么智能電源控制電路就會利用來自電池的電流補充系統負載。
MAX14676/MAX14676A嵌入了Maxim專有ModelGauge電量計，以準確估計可充電鋰電池的可用容量。
MAX14676/MAX14676A包含1個同步高效率降壓轉換器。該器件采用固定頻率PWM模式來實現更嚴格的調節，利用突發模式來提高輕負載操作期間的效率。
MAX14676/MAX14676A具有1個升壓穩壓器和3個可編程電流吸收器，可用于驅動各種LED配置。從電流吸收器獨立控制升壓轉換器，并且它們也可以單獨使用。
MAX14676/MAX14676A具有電源開關控制器，允許通過按鈕開啟和關閉器件。該控制器還提供延遲復位信號和電壓測序。
這些器件采用42凸點、間距0.5mm、3.497mm×3.118mm晶圓級封裝（WLP）。
MAX14676/MAX14676A主要特性
延長了電池充電之間的系統使用時間
1.8V低IQ200毫安降壓穩壓器
靜態電流：0.9μA（典型值）
自動突發或強制PWM模式
具有準確充電狀態的ModelGauge
易于實現的鋰離子電池充電
智能電源選擇
28V輸入容限
熱敏電阻監控器
通過高集成度將電源管理管腳最小化
3.2V低IQ100毫安LDO
2.0V持續開機50μA LDO
+5V安全輸出LDO
6.6V低IQ120μA電荷泵
支持各種顯示選項
5V~17V輸出升壓轉換器
3通道可調高壓電流吸收器
優化了系統控制
按鈕實現了超低功耗模式和加電電壓排序
I2C控制
MAX14676/MAX14676A應用
健康監控器
GPS手表
便攜式醫療設備
可穿戴電子產品
圖6 MAX14676/MAX14676A典型應用電路
工商網監
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