可穿戴医疗监护仪的无线充电的优势及解决方案

电池寿命是可穿戴系统在患者监护中的主要挑战。更换电池可能是一项耗时且昂贵的活动，并且在更换电池时存在丢失数据的风险。

有许多不同的方法可以为健康监测设备供电。手表过去曾使用太阳能，但显示器设计需要无线链接回网关或移动电话，并为一系列传感器供电，以测量心率和血压等生命值。这对电源子系统提出了很高的要求，设计人员正在寻找创新的方法来应对这些挑战。

使用感应线圈的短距离无线充电正被用于提供无线充电。 AirFuel Alliance和Qi Consortium都制定了无线充电规范，尽管这些要求发射器和接收器线圈之间的距离在几毫米之内。这消除了对充电端口的需要，并且可以使医疗监视器更紧凑和更容易使用。可以将显示器放置在充电板上，而不是微型USB充电连接器或专有格式，通常在一夜之间为电池重新充电。虽然这可以与睡觉时不一定佩戴的智能手表一起使用，但是需要尽可能长时间佩戴医疗监视器以捕获所需数据并在出现问题时触发警报。

示例由Semtech开发的LinkCharge是一个完整的，独立的基础设施无线充电系统，可以安装在几乎任何非金属表面下方，简单方便地为患者监护仪充电。 LinkCharge（图1）采用15 W器件，符合双模标准。该系统与AirFuel Alliance和Qi无线充电标准兼容，但可用于其他专有和更快速的充电设备。基础设施发射器模块包含一个自定义控制器，用于管理Qi或AirFuel协议和充电功能。可以修改微控制器的非易失性存储器中的固件，以便为特定的客户应用程序添加用户定义的功能，对于某些型号，可以随着标准的变化和成熟而提升可升级性。

图1：Semtech的LinkCharge无线充电器支持AirFuel和Qi协议。

MikroElektronika'sHexiwear（图2）是一款用于无线监控频段的开源可穿戴开发套件。 Hexiwear与恩智浦半导体合作开发，并通过Kickstarter资助，主要针对需要低功耗系统的开发人员，该系统兼容智能手机和具有云连接功能的iOS应用。它集成了光数字转换器，数字湿度和温度传感器以及心率传感器。它基于恩智浦的Kinetis K64x MCU，配备MC34671 600 mA，单节锂离子/锂聚合物电池充电器和190 mAh双节锂聚合物电池。 Kinetis KW4x收发器通过蓝牙低功耗提供无线链路，开源代码允许设计人员快速，轻松地开始开发监控系统。

图2：Hexiwear开源可穿戴式开发套件是医疗显示器的起点。

然而，这凸显了开发从RF获取能量的监测系统的挑战。 Hexiwear平台使用高速充电电源管理IC，从相对较高的电压源快速为显示器中的电池充电。无线充电系统几乎完全相反，能够处理非常低的电流和电压。

例如，STMicroelectronics的STEVALISB038V1参考设计套件（图3）使用无线电池充电器评估套件，专为超小型电池供电设备（如可穿戴显示器和智能手表）而设计。

图3：STMicroelectronics的无线充电参考设计套件可从11 mm接收器线圈提供1 W的功率。

该套件通过接收器侧的11 mm线圈和发射器侧的20 mm线圈支持1 W的无线功率传输。它还可以通过更宽的线圈或通过切换到发射器上的全桥配置来支持多达3 W的应用。

对于医疗监护仪，STWBC-WA变送器基于经济高效的半桥拓扑（图4），具有软件API的灵活性，可以控制LED和通用IO线路以及使用I²C和UART通信端口。

图4：STMicroelectronics参考设计中STWBC-WA发送器的半桥拓扑结构。

展望未来，Dialog Semiconductor发布了与无线充电技术开发商Energous合作的第一批成果。两家公司联合开发了一种芯片，用于实现使用Energous的WattUp®技术的小型无线电源发射器系统。这是专有技术，尽管Energous是AirFuel Alliance的主要成员。射频发射芯片最初的有限距离为几毫米，但更高功率的发射器可以在最远5米的距离内提供无线充电。

该芯片集成了ARM®Cortex®- M0 +处理器内核具有射频发射器和电源管理功能，可放入单个芯片，尺寸为7 mm x 7 mm。它还包括片上DC-DC转换和软件，可与Dialog'sSmartBond高度集成的低功耗蓝牙低功耗（BLE）芯片无缝集成，例如用于健康监视器的DA14681。这包括一个可以有效为多达三个外部设备供电的电源管理单元（PMU），以及一个片上充电器和电量计。

越来越流行的技术是使用RF能量，甚至捕获作为无线链路的一部分发出的能量。高达90％的传输能量浪费在空中，公司正在寻找尽可能多地恢复能量的方法。

将天线放在健康监视器上以捕获附近移动电话的传输能量可以将电池寿命延长30％。然而，这需要采用信号处理的新收发器芯片设计，以最有效地利用本地天线的能量。

此天线和芯片也可用于远距离无线充电。来自2GHz信号的RF能量可以在4到6米的距离内被引导到该单元，被天线捕获，并且用于在没有用户干预的情况下对电池进行再充电。这对于医疗监控设备的设计人员来说是一个引人注目的能力。

此类系统将从2018年开始进入市场，市场研究预测，到2020年，超过一半的系统将使用此类无线充电。作为其标准化过程的一部分，AirFuel联盟正在将不同的能量收集技术结合在一起。

结论

可穿戴医疗监护仪的无线充电是解决堵塞问题的理想方式。单元进行充电，避免了许多丢失数据的问题。射频能量捕获是前进的方向之一，现在可以使用无线充电线圈，这样可以更轻松，更快速地重新充电。然而，确保可靠的数据收集仍然存在挑战，并且正在开发的自由空间无线系统将允许便携式设备的长距离充电。这将极大地改变医疗监视器和无线系统在未来几年的供电方式。