SoC 微控制器为便携式医疗设备创新提供动力

2021-08-06

便携式医疗设备正在改善数百万患者的医疗保健。血糖监测器、心率监测器、可摄入胃肠 (GI) 道监测器、止痛植入物和许多其他设备等产品提高了慢性或急性疾病患者的生活质量。便携式自动除颤器可在紧急情况下挽救生命。运动手表可以无线记录用户的心率、测量距离、计算步数和执行其他功能,以最大限度地提高有氧锻炼的益处。未来几年将继续为医疗应用带来许多新的、创新的产品,这些产品将极大地改善医疗保健的交付和有效性。

实际上,所有这些便携式产品都需要一个低功耗微控制器 (MCU) 来接收来自用户或操作员的命令并提供读数和状态更新。由于几乎所有这些产品都使用电池供电,因此一个关键的考虑因素是延长电池寿命。这些产品所需的电池寿命各不相同,但2-10 年的电池更换间隔并不罕见。此外,这些空间受限的产品通常需要高度集成的模拟组件来调节信号并将其转换为数字域,以便对其进行处理和解释。

解决便携式医疗领域的微控制器需求给半导体公司带来了挑战。虽然工程通常是在对立的特性、规格和空间限制之间进行权衡,但在便携式医疗领域通常很难进行这种权衡。这个市场的要求通常是不协调的,例如需要小尺寸、高功能、低功耗和高性能模拟,以及长电池寿命和高处理能力。这些产品需要模数转换器 (ADC)、可调增益、电源管理和液晶显示器 (LCD)

本文将讨论医疗市场的一些创新产品、医疗设备行业的共同趋势,以及如何使用 SoC 微控制器来改进未来的设备。

超低功耗、高度集成的 MCU 的推出催生了新产品,可以减轻疼痛并改善患者的护理和生活

一体化

便携式医疗设备可以从现代 SoC 与板载 MCU 提供的集成水平中受益匪浅。如果没有高水平的模拟集成以在小空间内提供更多功能,许多这些微型产品将无法实现。

集成微控制器是运行便携式医疗设备所需的唯一 IC。这种类型的微控制器通常用于医疗应用,可能包含以下特性:

高性能 ADC,通常为 12 位及更高

用于信号调节的运算放大器,例如自动增益控制

数模转换器 (DAC),有时用于反馈

基于段的 LCD 驱动器

ADC 的高性能参考电压

集成闪存和 RAM 存储器

电源管理和监控器,这些产品通常可以直接使用纽扣锂电池或两节碱性电池供电

集成的优势包括减少PCB面积、制造成本更低、采购更容易和功耗最小化。集成的闪存和 RAM 不仅可用于程序和数据存储器,而且如果闪存在电路中编程,还可用于数据记录存储器。

MSP430FG4270 MCU 是具有成本优势的高度集成器件的一个很好的例子。它包含一个 ADCDAC、可编程增益运算放大器、高精度电压基准和 LCD 驱动器。使用单独的芯片来实现该芯片的高水平模拟性能将使物料清单 (BOM) 增加约 1 美元,更不用说额外的采购、物流和制造成本了。在设计过程中,这些额外费用很容易被忽视,但可能是巨大的,尤其是在由于一个或多个组件缺货而导致制造中断的情况下。

对内存大小的选择对设计人员来说也是一个重要的好处。由于内存大小和裸片大小大致呈线性关系,因此 MCU 的成本与内存大小成正比。根据编程需求选择内存大小的能力不仅可以优化 BOM 成本,而且还可以降低编程内存的初步估计值较低时的风险。这种能力还允许仅使用固件和 BOM 选项的具有不同功能数量的不同等级的最终产品。

低电量

设备在两次电池充电之间可以运行的时间越长,最终用户的满意度或患者的舒适度就越高。此外,在大多数便携式医疗设备中,MCU 的大部分时间都处于待机模式(休眠)。这意味着实现超低待机电流的能力是决定设备电池寿命的主要因素。

对于频繁进入和退出待机状态的数据记录仪等产品,另一个关键参数是从待机状态唤醒所需的时间。MCU 在退出待机状态时通常可以使用与设备完全处理时一样多的能量。快速唤醒时间是必不可少的,因为在唤醒期间 MCU 无法进行有用的处理,这意味着从待机模式中使用的能量被有效地浪费了。此外,现代 MCU 需要快速唤醒以响应触发事件。例如,TI 的一些 MSP430 MCU 可以在不到 1 微秒的时间内以稳定的时钟唤醒到完全运行模式,从而使非待机状态下近乎实时的运行成为现实。

由于 MCU 处于活动状态的每个周期都会消耗能量,因此最大限度地缩短处理时间对于延长电池寿命至关重要。低功耗 MCU 包括许多有助于最大程度减少此时间的功能。例如,在分析数据之前,产品需要从 ADC 收集一段时间的数据。如果在收集数据时 MCU 处于活动状态,则处理器会消耗能量而几乎没有提供任何价值。一些 MCU 可以使用直接内存访问,通过允许 ADC 收集数据并将其存储到内存中来最大限度地减少处理器必须处于活动状态的时间。一旦收集到所需数量的样本,处理器就会中断退出待机状态;然后它分析数据并输出结果。

如前所述,最小化功耗是集成的另一个优势。MCU 可以更简单、更好地控制启用和禁用运算放大器、DAC ADC 等外设,并在不需要它们时有选择地关闭它们。

运营能力是另一个关键参数。即使 MCU 可能会在活动状态中花费相对较短的时间,但如果操作功率不低,从待机模式唤醒以检查状态(例如电池电压水平)可能会迅速耗尽电池电量。此外,由于其中一些产品使用无线协议(如 ZigBee802.15.4)或专有无线协议(如 TI SimpliciTI),这些系统可能需要比平时更频繁地唤醒以维护无线网络。有趣的是,即使医疗产品为了测量目的每天只开启一小段时间,利用 <1.1 ¬µA MCU 待机电流,低有功功率对于保持低平均电流消耗通常很重要。

包装

满足便携式医疗产品的外形要求通常意味着应使用球栅阵列 (BGA) 封装或芯片级封装 (CSP)。较小尺寸的代价是这些封装比传统的有铅封装更难制造。此外,设计和调试可能需要 X 射线来确保焊盘被焊接,而重新加工 CSP BGA 比引线封装更具挑战性。

虽然较大的四方扁平封装或塑料小外形封装允许设计人员轻松探测和监控引脚上的信号,但在原型设计阶段可以选择直接进入较小的封装将通过让设计人员利用开发的代码和原理图来节省时间概念验证阶段。

SoC 助力突破

在某个时候,每个人都会受到现在发生的创新和医学进步的影响。健康和医疗设计师、制造商和创新者越来越多地利用当今微控制器中的低功耗、高处理能力和高性能模拟集成。如果市场营销产品对尺寸、电池寿命或精度的要求似乎过于激进,工程师应该看看微控制器 SoC 中的可用内容。