半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)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(tǒng)成為可能。這些系統(tǒng)通常具有功能強(qiáng)大的超低功耗微控制器，其連接一組非常復(fù)雜的傳感器，同時(shí)通過到外部系統(tǒng)的低功耗RF鏈路進(jìn)行通信。功能強(qiáng)大的超低功耗微控制器、超低功耗模擬身體信號(hào)傳感器和創(chuàng)新型電源與電池管理電路相結(jié)合，共同推動(dòng)了可穿戴醫(yī)療保健市場(chǎng)的發(fā)展。

　　可穿戴式醫(yī)療設(shè)備可以監(jiān)測(cè)身體信號(hào)多年，為醫(yī)師提供有用的健康診斷信息。同樣的監(jiān)測(cè)設(shè)備還被應(yīng)用到了高性能運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，幫助優(yōu)化身體機(jī)能?？纱┐魃眢w信號(hào)監(jiān)控產(chǎn)品現(xiàn)在能夠以更低的價(jià)格為健康和機(jī)能優(yōu)化市場(chǎng)的用戶提供同類型的信息。

　　對(duì)于健康感測(cè)和監(jiān)測(cè)，一般在臨床環(huán)境下監(jiān)視的信號(hào)幾乎都可以通過可穿戴產(chǎn)品獲得。這些傳統(tǒng)信號(hào)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(yī)療保健監(jiān)視平臺(tái)框圖

　　可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)視平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

　　這個(gè)系統(tǒng)由高性能、復(fù)雜集成電路實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中IC的功率已經(jīng)得到優(yōu)化，可以采用小巧的輕質(zhì)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(hào)監(jiān)測(cè)功能。

　　雖然許多產(chǎn)品的主要特性是通過固件算法來實(shí)現(xiàn)的，但物理設(shè)計(jì)提供了一個(gè)平臺(tái)來承載這些特性。一旦平臺(tái)開發(fā)完成，它就可以重新用于各種不同的產(chǎn)品。

　　電源和電池管理

　　功率對(duì)于任何可穿戴醫(yī)療保健平臺(tái)而言都是一個(gè)非常重要的方面。這類產(chǎn)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(tái)的功耗特性決定了產(chǎn)品的可用性。人們通常希望任何可穿戴產(chǎn)品至少可以工作一天才需要充電。采用不可充電電池的產(chǎn)品應(yīng)該具有數(shù)月的電池壽命。

　　對(duì)于采用可充電電池的設(shè)備，電池管理系統(tǒng)必須包括1個(gè)電池充電器和1個(gè)電池電量計(jì)。電池管理系統(tǒng)必須允許設(shè)備邊充電邊工作。

　　由于電池是一個(gè)電壓輸出不斷下降的電壓源，因此電源系統(tǒng)必須能夠調(diào)節(jié)電池電壓。穩(wěn)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(shè)計(jì)所需數(shù)量的軌道?？沙潆婁囯姵氐目捎秒妷悍秶鸀?.2V~3.2V。大多數(shù)可穿戴產(chǎn)品都使用低于單節(jié)鋰電池最低電荷的主電源軌，所以可穿戴設(shè)計(jì)中的主軌來自于降壓穩(wěn)壓器。可穿戴產(chǎn)品中的某些功能需要的電壓電平可能高于單節(jié)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(gè)升壓穩(wěn)壓器。所需電源軌的數(shù)目取決于設(shè)備的功能，但是為了實(shí)現(xiàn)最佳效率，它需要盡量減少所需電源軌道的數(shù)目。

　　處理器

　　為該應(yīng)用選擇微控制器時(shí)，用電量和處理能力是最重要的決定因素。應(yīng)該采用一種系統(tǒng)分區(qū)策略來決定哪些系統(tǒng)功能最好要集成到微控制器中，哪些則可以從外部處理。因?yàn)榭纱┐鹘】翟O(shè)備對(duì)讀取身體信號(hào)，所以任何片上數(shù)據(jù)模擬電路的功能也要考慮在內(nèi)，方可確保它們能準(zhǔn)確處理低級(jí)身體信號(hào)。

　　對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換必須在外部信號(hào)處理鏈上進(jìn)行，以數(shù)字方式將傳感器信號(hào)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(xiàng)。

　　可穿戴應(yīng)用最常用的微控制器采用針對(duì)低功耗進(jìn)行了優(yōu)化的ARM架構(gòu)。根據(jù)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(gè)功耗模式，系統(tǒng)軟件會(huì)具有可編程關(guān)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(jiān)測(cè)可穿戴器件內(nèi)的身體信號(hào)。用于獲取身體信號(hào)的傳感器技術(shù)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(hào)，而無需消耗大量功率。

　　傳感器技術(shù)可用于測(cè)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(nèi)。然而，許多這些常見傳感器已在單個(gè)封裝內(nèi)整合了放大和轉(zhuǎn)換電路，這樣它們就可以輸出更高級(jí)的模擬信號(hào)或者串行化數(shù)字信號(hào)。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(qū)域周圍極小的電場(chǎng)并將信號(hào)傳輸?shù)紼KG信號(hào)鏈上。低成本可穿戴心電圖僅限于2至3個(gè)接觸點(diǎn)，并且不提供有9至11個(gè)傳感器分散在身體各處并附于戰(zhàn)略點(diǎn)上、成本較高的專業(yè)ECG/EKG系統(tǒng)的分辨率。

　　通信

　　現(xiàn)代可穿戴器件一般全都提供一個(gè)微型USB端口，用于海量數(shù)據(jù)傳輸、固件更新和電池充電。此外，許多可穿戴健康產(chǎn)品采用低功率無線收發(fā)器，以便在使用該設(shè)備的過程中實(shí)時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。無線傳輸允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁蟮娘@示屏或者遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集設(shè)備上。低功耗藍(lán)牙就是用于該目的的新興標(biāo)準(zhǔn)。此外，NFC（近場(chǎng)通信）提供范圍有限的無線連接，非常適合短內(nèi)容傳輸，如配置信息和記錄的數(shù)據(jù)檢索。

　　Maxim MAX66242安全RFID標(biāo)簽可以驗(yàn)證用戶身份，從而通過NFC只接受來自于已驗(yàn)證源的通信。

　　用戶接口

　　可穿戴產(chǎn)品的用戶界面會(huì)根據(jù)所需功能的變化而變化。低功耗設(shè)計(jì)至關(guān)重要，所以顯示器尺寸要最小化。根據(jù)產(chǎn)品的不同，用戶界面將包括1個(gè)單行LCD顯示器與幾個(gè)控制按鈕。需要顯示更多信息的產(chǎn)品會(huì)具有1個(gè)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(qiáng)大，所以許多可穿戴器件最終可能會(huì)具有語音命令接口。

　　主要元器件

　　健康測(cè)量微控制器MAX32600

　　MAX32600微控制器基于工作頻率高達(dá)24MHz的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3 32位RISC CPU。它包含256KB閃存、32KB SRAM、1個(gè)2KB指令緩存和集成式高性能模擬外設(shè)。

　　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(fèi)的工具，MAX32600還支持IAR的嵌入式Workbench。IAR嵌入式Workbench在1個(gè)IDE內(nèi)整合了1個(gè)編譯器、1個(gè)匯編程序、1個(gè)連接器和1個(gè)調(diào)試器。它簡(jiǎn)便易用，提供了先進(jìn)、高效率優(yōu)化功能，與硬件、RTOS產(chǎn)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(nèi)核系列的產(chǎn)品套裝。

　　MAX32600主要特性

　　集成式AFE能夠以最少的分立器件實(shí)現(xiàn)精密健康測(cè)量

　　具有輸入多路復(fù)用器和PGA的16位ADC

　　轉(zhuǎn)換率：高達(dá)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(fù)用器

　　用于測(cè)量VDDA3的內(nèi)部多路復(fù)用器輸入

　　內(nèi)部或外部參考電壓

　　用于ADC和DAC的可編程緩沖器

　　兩個(gè)12位DAC和2個(gè)8位DAC

　　四個(gè)運(yùn)算放大器

　　四個(gè)低功耗比較器

　　四個(gè)通用SPST模擬開關(guān)

　　四個(gè)接地開關(guān)

　　八個(gè)100毫安LED驅(qū)動(dòng)器對(duì)（吸收器）

　　內(nèi)部溫度傳感器

　　利用可信保護(hù)單元保護(hù)寶貴的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和數(shù)據(jù)

　　面向端對(duì)端安全的可信保護(hù)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(chǔ)的快速擦除SRAM

　　業(yè)界最低的總系統(tǒng)功率延長(zhǎng)了電池壽命

　　175μA/MHz有效功率，從緩存執(zhí)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(yōu)化功耗

　　外設(shè)時(shí)鐘控制

　　6通道DMA引擎支持在Micro處于睡眠模式時(shí)進(jìn)行智能外設(shè)操作

　　MAX32600應(yīng)用

　　血糖測(cè)量

　　皮膚電反應(yīng)測(cè)量

　　脈搏血氧測(cè)量

　　可穿戴醫(yī)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(yīng)用的理想之選。

　　該器件采用高度靈活的輸入方案，具有六個(gè)輸入引腳，可配置為模擬或數(shù)字麥克風(fēng)輸入、差分或單端線路輸入或者滿標(biāo)直接差分輸入。模擬輸入可發(fā)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(shí)鐘頻率為256×FS或10MHz~60MHz。數(shù)字音頻接口支持主或從模式操作、8kHz~96kHz的采樣率和標(biāo)準(zhǔn)PCM格式，例如I2S、左/右對(duì)齊和TDM。

　　錄制/回放路徑采用FlexSound技術(shù)DSP。這包括數(shù)字增益和濾波、雙二階濾波器（錄制）、動(dòng)態(tài)范圍控制（回放）和七頻段參數(shù)均衡器（回放），可以通過優(yōu)化頻率響應(yīng)來提升揚(yáng)聲器性能。

　　立體聲D類揚(yáng)聲器放大器可高效放大，具有低輻射發(fā)射，支持無濾波操作，可以驅(qū)動(dòng)4Ω和8Ω負(fù)載。DirectDrive立體聲H類耳機(jī)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(gè)差分接收器（耳機(jī)）放大器，它可以重新配置成一個(gè)立體聲單端線路輸出。

　　圖3 MAX98091簡(jiǎn)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(gè)立體聲單端/差分模擬麥克風(fēng)/線路輸入

　　兩個(gè)PDM數(shù)字麥克風(fēng)輸入

　　主時(shí)鐘頻率：256×FS或10MHz~60MHz

　　I2S/LJ/RJ/TDM數(shù)字音頻接口

　　FLEXSOUND技術(shù)信號(hào)處理

　　錄制路徑雙二階濾波器

　　回放路徑7頻段參數(shù)均衡器

　　回放路徑自動(dòng)電平控制

　　數(shù)字濾波和增益/電平控制

　　立體聲低EMI D類揚(yáng)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(jī)放大器插孔檢測(cè)和識(shí)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(fēng)偏壓

　　I2C控制接口

　　56凸點(diǎn)0.4mm WLP和48引腳6mm×6mm×0.75mm TQFN封裝

　　MAX98091應(yīng)用

　　智能手機(jī)

　　平板電腦

　　低功耗超精度6+3DoF IMU（慣性測(cè)量單元)MAX21100

　　MAX21100是一款單片式3軸陀螺儀+3軸加速度計(jì)慣性測(cè)量單元（IMU），具有集成式9軸傳感器融合，采用專用運(yùn)動(dòng)合并引擎（MME），適于手機(jī)和平板電腦應(yīng)用、游戲控制器、移動(dòng)遙控器和其他消費(fèi)類器件。

　　MAX21100是業(yè)界最準(zhǔn)確的6+3DoF慣性測(cè)量單元，采用3mm×3mm×0.83mm封裝，可由電壓低至1.71V的電源供電?？梢酝ㄟ^專用I2C Master連接外部磁力計(jì)。內(nèi)部運(yùn)動(dòng)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(wǎng)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(yùn)動(dòng)合并引擎利用超快速低功耗（50μA）Maxim專有算法執(zhí)行精密9DoF傳感器融合，具有：

　　四元數(shù)輸出

　　重力和航向輸出

　　加速度計(jì)（高達(dá)2kHz）和陀螺儀（高達(dá)8kHz）的高輸出數(shù)據(jù)率（ODR）

　　陀螺儀（250/500/1000/2000DPS）和加速度計(jì)（2/4/8/16G）的4個(gè)可選滿標(biāo)度

　　I2C標(biāo)準(zhǔn)（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(jié)（64×16位）嵌入式FIFO

　　唯一的48位序列號(hào)充當(dāng)晶片ID

　　電流：5.65mA（低噪聲模式下）和3.45mA（節(jié)能模式+MME活動(dòng)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(jī)模式接通需4ms

　　在整個(gè)溫度和時(shí)間范圍內(nèi)均具有高穩(wěn)定性：偏置穩(wěn)定性為4°/小時(shí)

　　高抗沖擊能力（10,000g耐沖擊）

　　MAX21100應(yīng)用

　　家電和機(jī)器人

　　GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

　　健康和運(yùn)動(dòng)監(jiān)控

　　具有HMI（人機(jī)界面）的運(yùn)動(dòng)控制

　　基于運(yùn)動(dòng)的3D鼠標(biāo)和3D遙控器

　　基于運(yùn)動(dòng)的游戲控制器

　　光學(xué)/電子圖像穩(wěn)定器

　　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(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。這款高性能ADC包括高動(dòng)態(tài)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(zhǔn)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(shù)據(jù)接口提供獨(dú)立的電源輸入，并帶有專用的基準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)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(dòng)態(tài)性能、低電壓、低功耗、易用性和極小的封裝尺寸使該轉(zhuǎn)換器非常適于便攜式電池供電數(shù)據(jù)采集應(yīng)用以及需要低功耗和最小空間的應(yīng)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(yīng)用電路

　　MAX11108主要特性

　　緊湊型ADC節(jié)省空間

　　單端模擬輸入12位分辨率ADC

　　3MSPS轉(zhuǎn)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(zhǎng)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(shù)字系統(tǒng)

　　MAX11108應(yīng)用

　　電池供電系統(tǒng)

　　通信系統(tǒng)

　　儀器儀表數(shù)據(jù)采集

　　醫(yī)療器械

　　移動(dòng)

　　便攜式數(shù)據(jù)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(yīng)用的理想之選。這些器件包括1個(gè)帶有智能電源選擇器?的線性電池充電器、ModelGauge電量表和幾個(gè)功率優(yōu)化外設(shè)。它們具有靜態(tài)電流為900nA（典型值）、效率為74％、輸出為10μA的超低功耗降壓穩(wěn)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(shí)繼續(xù)運(yùn)行。它會(huì)寄存器設(shè)置限制輸入電流。如果充電器電源無法為整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載供電，那么智能電源控制電路就會(huì)利用來自電池的電流補(bǔ)充系統(tǒng)負(fù)載。

　　MAX14676/MAX14676A嵌入了Maxim專有ModelGauge電量計(jì)，以準(zhǔn)確估計(jì)可充電鋰電池的可用容量。

　　MAX14676/MAX14676A包含1個(gè)同步高效率降壓轉(zhuǎn)換器。該器件采用固定頻率PWM模式來實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，利用突發(fā)模式來提高輕負(fù)載操作期間的效率。

　　MAX14676/MAX14676A具有1個(gè)升壓穩(wěn)壓器和3個(gè)可編程電流吸收器，可用于驅(qū)動(dòng)各種LED配置。從電流吸收器獨(dú)立控制升壓轉(zhuǎn)換器，并且它們也可以單獨(dú)使用。

　　MAX14676/MAX14676A具有電源開關(guān)控制器，允許通過按鈕開啟和關(guān)閉器件。該控制器還提供延遲復(fù)位信號(hào)和電壓測(cè)序。

　　這些器件采用42凸點(diǎn)、間距0.5mm、3.497mm×3.118mm晶圓級(jí)封裝（WLP）。

　　MAX14676/MAX14676A主要特性

　　延長(zhǎng)了電池充電之間的系統(tǒng)使用時(shí)間

　　1.8V低IQ200毫安降壓穩(wěn)壓器

　　靜態(tài)電流：0.9μA（典型值）

　　自動(dòng)突發(fā)或強(qiáng)制PWM模式

　　具有準(zhǔn)確充電狀態(tài)的ModelGauge

　　易于實(shí)現(xiàn)的鋰離子電池充電

　　智能電源選擇

　　28V輸入容限

　　熱敏電阻監(jiān)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(xù)開機(jī)50μA LDO

　　+5V安全輸出LDO

　　6.6V低IQ120μA電荷泵

　　支持各種顯示選項(xiàng)

　　5V~17V輸出升壓轉(zhuǎn)換器

　　3通道可調(diào)高壓電流吸收器

　　優(yōu)化了系統(tǒng)控制

　　按鈕實(shí)現(xiàn)了超低功耗模式和加電電壓排序

　　I2C控制

　　MAX14676/MAX14676A應(yīng)用

　　健康監(jiān)控器

　　GPS手表

　　便攜式醫(yī)療設(shè)備

　　可穿戴電子產(chǎn)品

　　圖6 MAX14676/MAX14676A典型應(yīng)用電路