可穿戴技术注定将是下一次数字健康革命的基础，智能且自动的实时控制/监控会成为医疗领域最重要的应用，可为患有长期慢性疾病的患者提供高品质的护理和更好的生活质量。但必须指出的是，可穿戴设备的供电问题可能是一个难以克服的障碍。

每一代新的健身腕带和智能手表都集成有更多的功能，这些可穿戴设备中越来越多的功能通常会导致更高的功耗。当然，同样的规则也适用于医疗设备。但用于活动跟踪和患者监测等领域的可穿戴设备具有严格的空间限制，不能采用体积较大的电池，因此，需要采用更多创新的电源管理技术来控制系统的功率预算水平。

如果要使可穿戴设备发挥作用，则患者必须能够舒适地长时间佩戴（因为在大多数情况下，可能需要不间断地佩戴，以便能够收集所需的数据）。可穿戴设备也不应该太重，导致患者疲劳，在考虑老年患者或婴儿应用时尤其如此。

设计要点

任何可穿戴医疗设备都需要集成各种不同的关键电子元件。这些包括：

·  一个微控制器单元（MCU），用于数据管理和数据处理。

·  某种形式的电池，用于存储运行所需的能量。

· 传感器，如加速度计、陀螺仪、心率监测仪等。

· 能够支持蓝牙低功耗（BLE）或近场通信（NFC）等技术的通信接口。

· 负责数据保护的加密机制（确保私人医疗信息受到保护）。

使用何种MCU和传感器可以确定设备的特性和功能，因此也就确定了预期的应用。临床医疗设备必须高度准确和可靠，易于管理，并具有高效的数据保护功能，能够记录数据的时间可扩展至一年或更长时间。用于设计此类项目的系统级电源管理工程方法包括若干功能模块，其中基于对电源的不同需求而分别共享一些电源域。通过这种方式，可以为每个域实现最佳布局，以最大限度地提高电源效率（如图1所示）。某些域在未被利用时可以被完全禁用，例如RF元件，以及对时间不敏感的高占空比功能。位于系统核心的MCU必须将超低功耗电源管理与高集成度外设整合在一起。

图1：具有各种电源域的可穿戴设备典型内部电路配置。

电池技术

可穿戴设备中最常用的电池化学物质是锂离子（Li-Ion）和锂离子聚合物（LiPo）。锂离子电池由有机电解质组成，标称电压为3.2V～4V（初级和次级）。这两种化学物质在储能容量方面不尽相同，其中以锂离子电池更高。

锂离子电池对环境的影响相对较小，并且具有适中的尺寸和轻质的结构。但这种电池的容量与其尺寸直接相关，因此在空间受限的设计中会导致明显的储能降低。石墨烯等电池材料技术正在取得进步，这些新技术能够确保储能水平远远优于目前的锂离子电池，未来的应用可以从中受益，目前正在进行的许多研究项目都在瞄准这一目标。与纳米技术相关的研究进展将能够使超级电容器作为一种存储电能的方式，能够供可穿戴设备使用。

超低功率MCU

在医疗可穿戴设备应用中，MCU必须能够在待机模式下消耗大约nA级的电流，在完全运行时达到最高几百μA的电流。 MCU不仅要处理来自传感器的数据，还必须管理电源，仅在系统特定部分需要时才提供电流，从而不会浪费电能。

Maxim Integrated的MAX32660 MCU（详见图2）针对可穿戴设备应用而设计，能够提供高性能与高能效的完美组合。它具有32位ARM Cortex-M4内核和内置FPU处理器，可以访问足够的内存来运行高级算法，并可管理与其连接的任何类型传感器。该MCU还拥有业界领先的功率性能指标（高达50μW/ MHz），采用紧凑型WLP封装，外形尺寸仅为1.6mm x 1.6mm。

图2：MAX32660的功能框图。

Microchip可提供范围广泛的超低功耗32位MCU，以满足可穿戴医疗市场的需求，其中包括基于ARM Cortex-M0+架构的最小SAM D MCU，一直到超低功耗SAM L系列和高性能PIC32MX XLP系列。这些MCU在工作模式下每周期的功耗低于35μA/ MHz，在睡眠模式下仅消耗200nA的电流。它们都集成有丰富的功能，包括LCD端口、运算放大器、实时时钟和mTouch感测、以及USB和DMA接口。它们还连接有低功耗外设，以便在没有CPU中断的情况下实现几乎没有延迟的数据共享（见图3）。

图3：Microchip PIC32MX的功能框图。

在可穿戴领域中使用的其他32位MCU解决方案还包括基于ARM Cortex-M3的Silicon Labs EFM32 Giant Gecko。Giant Gecko MCU能够提供自主的低功耗外设，包括用于提高安全性的AES加密、UART、低能耗传感器接口和运算放大器（更多详细信息，请参见图4）。

图4：EFM32功能框图。

能量收集

正如我们已经讨论过的那样，可穿戴设备没有在医疗专业市场得到广泛使用的主要原因之一是需要定期给电池充电，患者可能会忘记这些，或者需要护理人员来承担这些工作。通过改进电池内部的化学物质，一种替代方案是采用能量收集技术。这类电池可以从外部能源（例如太阳光、热梯度或运动）收集能量以对医疗设备充电 ，因此可以无限期地运行而无需进行电池充电。

通过人体运动或热量来获取能量取决于佩戴者消散的能量。对于一般人来说，这个数字大约是107焦尔 /天，这相当于20kg电池存储了2500mA / h的电能，理论上讲，如果可以有效地利用，将能够提供足够的能量储备。

热电能技术是通过利用塞贝克效应（Seebeck effect）将热量转化为电能，即依靠热侧和冷侧之间的温度梯度产生成比例的电位差，构成Peltier 单元 的一对半导体将为系统设计提供必要的元件。对于可穿戴设备，持续散发热量的人体可以用作暖侧，而周围环境则可以作为热电技术收集电能所需的冷侧。不同于从光伏电池收集的太阳能（只能在白天进行），这种设置的主要优点之一是白天和夜晚都具有可持续使用的能源。

能量收集的另一种形式是利用患者四肢振动和运动产生的机械能。这种情形下，压电元件在每次机械运动后都会产生电流。对于可穿戴设备中的能量收集，压电元件通常设计成通过佩戴者在行走、呼吸或移动手臂及腿时产生的振动来产生电流。 Wurth Electronics的Energy Harvesting Solution to Go 开发套件可以轻松得到能量收集技术，帮助开发人员为可穿戴设备构建电源管理电路。

DC / DC转换器

DC / DC转换器的任务是为所有外围设备提供和保持恒定电压。通过MCU的指令，它能够管理锂离子电池中存储的所有能量，这些组件需要满足严格的指标要求，同时消耗尽可能少的能量。凌力尔特公司的LTC3107（如图5所示）是一款高集成度DC / DC转换器，旨在通过能量收集机制延长功率受限系统中主电池的使用寿命。通过使用一小部分热能，它可以显著延长电池寿命，从而降低了与更换电池相关的经常性维护成本。

图5：LTC3107 DC / DC转换器的典型应用电路。

可穿戴医疗设备的发展趋势是持续小型化，具有更小和更高集成度的封装，因而需要更先进的电源管理系统，并且在许多情况下，也需要采用某种形式的能量收集技术。选择合适的数字电路、电池和相应的DC / DC转换器解决方案是完成所需超低功耗设计的基础。