如何有效降低医疗电子设备的功耗

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  •  便携式医疗设备的设计人员正面临着一些独特的挑战。医疗照护领域对电子产品的审查控管相当严格,尤其在产品设计的寿命、使用周期、还有使用上的稳定性,皆有高规格的要求。此外,电子设备的设计用途,一旦与医疗设备相关时,就产生了非常重大的意义。

      举例来说,低功耗为所有设计人员共同的追求目标,低功耗意味电池可以变得更小、更轻,藉以提高产品的可移植性;对于医疗设备来说,可移植性的提高改善患者的生活质量,且患者的生命更需直接仰赖电池的寿命。

      在本文中,我们将说明设计人员如何利用微控制器(MCU)进行设计、并符合医疗设备的低功耗要求。

      电压和电池寿命

      在低功耗应用中,微控制器的静态功耗是很重要的选择指标;一些具备高阶处理技术的微控制器在休眠模式下消耗的电流可低于50 nA。为了适用于各种低功耗设计,微控制器必须能在广泛的电源范围下运作。例如,在使用碱性电池时,通常指定1.8 V的工作电压,因为应用中通常使用两颗终止电压(end voltage)皆为0.9V的碱性电池。选择可在广泛电压范围下运作的微控制器,便可以延长便携式设备的使用年限。除了微控制器的工作电压范围表1:利用图1中列出的部件及其表定的电流消耗值可得出医疗数据记录器的电源预估值以外,设计人员也必须考虑整个系统的工作电压范围,包括微控制器内部的外围。如果系统中的外围非常耗电,那么光降低微控制器的功耗对系统总功耗则几乎没有什么影响。

    如何有效降低医疗电子设备的功耗
     


    图1:在该医疗数据记录器的应用中,微控制器的I/O接脚可以用于对EEPROM和传感器供电

    表1:利用图1中列出的部件及其表定的电流消耗值可得出医疗数据记录器的电源预估值

    如何有效降低医疗电子设备的功耗
     


      降低功耗的方法

      外围电源切换

      针对便携式嵌入式系统的功耗管理原则是让微控制器能够控制内部和外部外围的功耗。设计便携式医疗设备时,请先确定必需的工作模式或状态,然后对设计进行分解,以便剔除不需要的电路。从众多不同的供货商中选择合适的微控制器可以帮助您省去多余的外部组件并降低成本。如前所述,可在广泛电压范围下工作的微控制器将使您的系统设计变得更加弹性。

      试着以一个包含微控制器,用来纪录数据的医疗监视器为例,说明如何最大程度地降低整个系统的功耗:这个监视器包含了传感器、EEPROM和电池(见图1)。在实际应用中,传感器可以执行温度、血氧浓度(oxygen saturatiON)、血压、血糖浓度和许多项目的测量。该医疗设备将在几个小时、或者更长的时间内,持续监测病人的相关指数。在该范例中,微控制器每隔2秒读取传感器测得的数据并进行换算、再将数据储存到外部EEPROM中,然后等待传感器输出下一个读数。如果不需要考虑功耗,当然可以一直对EEPROM、传感器及其偏压电路(biascircuit)供电;然而,对便携式医疗设备而言,有效率地使用电源是非常重要的。因此,为了有效降低这类系统的功耗,设计人员往往在微控制器不需要这些外围时透过程控关闭它们。

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