電子和通信技術的飛速發展極大地推動了醫療保健行業的進步。當前，醫療物聯網（IoMT）通信技術和半導體電子技術日新月異，使得可穿戴醫療設備能夠與互聯網無縫對接。這些與IoMT相連的設備，包括個人可穿戴設備，能夠進行持續監測，讓個人更好地了解自身健康狀況，收到自動檢查和用藥提醒，并即時與醫療保健人員溝通。
據市場研究公司預測，至2025年，可穿戴設備的市場規模有望達到約2,500億美元，復合年增長率接近20%。這一預測為開發新型、創新的移動和可穿戴醫療產品揭示了巨大的市場機遇。圖1展示了幾種可穿戴醫療設備及它們可接入的各種醫療服務。
圖1 - 互聯醫療 - 便攜式醫療設備和醫療物聯網（IoMT）
電子設計人員面臨著一項艱巨的挑戰，即開發全天候運行的可靠產品。他們需要在保證產品微型化的前提下，增加其功能，并最大限度地提升電池壽命效率。同時，他們還需確保產品堅固耐用，避免發生任何電氣危險。
圖2 - 智能可穿戴健康監測儀和框圖。
可穿戴健康監測儀能夠提醒用戶活動情況，提供運動數據，監測多項健康參數。目前，眾多此類設備已獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）認證，醫療專業人員可根據這些設備提供的數據采取相應措施。圖2展示了一款基于物聯網的智能可穿戴設備，包含關鍵電路部分，設計人員可在此基礎上增添醫療監測功能，并運用先進技術提升設備的堅固性和可靠性。受益于這些改進電路的組件包括無線充電器、電池組、觸摸屏顯示器以及用戶界面。
1、無線充電器
無線充電器負責為設備電池提供必要的充電電流。充電器采用USB-C電源供電，能夠輸出高達20VDC和5VAC的電壓。若充電器出現故障，可能導致過流現象，對設備造成損害。因此，為確保安全，需采用保險絲或高分子聚合物正系數溫度電阻（PPTC）可復位保險絲，以提供必要的過流保護。此外，靜電放電（ESD）若無適當的防護措施，將嚴重威脅可穿戴設備的安全性。為此，可采用瞬態電壓抑制器（TVS）二極管，它能將瞬態電壓箝位在安全水平，并吸收高達kA級別的浪涌電流，從而有效提供過壓保護。
圖3 - 過流、過壓保護示意圖
（以Littelfuse的eFuse保護IC為例）
盡管市面上存在多種保護元件，但Littelfuse eFuse保護IC以其綜合的過溫、過流、過壓以及其他保護模式脫穎而出（如圖3所示）。eFuse將多種保護功能集成于單個表面貼裝集成電路中，顯著節省了PC板（PCB）空間并縮短了開發周期，相較于執行類似功能的多種獨立元件具有明顯優勢。除此之外，eFuse還具備以下增強功能：
欠壓鎖定（UVLO）。
軟啟動保護，有效限制浪涌電流。
由于電源電流路徑中采用了低RDS（ON）的MOSFET，功率損耗得以有效降低。
USB Type-C作為一種多引腳、高密度連接器，其狹窄的引腳間距容易因灰塵和污垢引發短路，進而降低引腳間的絕緣電阻。針對這一問題，數字溫度指示器能夠監測并預防USB電纜因針腳短路而受損。例如，在USB Type-C架構的通信通道電路中集成Littelfuse setP™溫度指示器，可實時監控溫度變化，及時采取保護措施。當setP檢測到連接器溫度達到100℃時，其電阻會相應增大，從而觸發通信通道發出中斷供電線路的信號，有效防止連接器損壞（如圖4所示）。
圖4展示了Littelfuse setP數字溫度指示器的電阻與溫度關系曲線。
在通信通道中采用setP的優勢在于，該保護元件不會給供電線路帶來任何額外的功率損耗。此外，setP完全符合USB實施者論壇（USB-IF）的標準，因此適用于Type-C插頭。
2、電池組
健康監測儀通常采用鋰離子電池組作為電源。當電流過載時，電池可能會出現過熱或失效的風險。針對這種情況，選用立即生效的PPTC自恢復保險絲是一種理想選擇。PPTC保險絲具有多種類型，能夠在過電流達到額定保持電流的10倍時，于一秒內迅速切換到高阻態。這種保險絲的功率耗散約為0.5 W，能有效降低功耗。此外，PPTC保險絲采用小型表面貼裝封裝，尺寸僅為0.06 × 0.03英寸（1.5 × 0.8毫米），極大地節省了空間。
3、觸摸屏顯示器
觸摸屏顯示器作為健康監測儀的用戶界面，負責功能控制和信息分析。然而，人體接觸可能產生的靜電放電（ESD）會損害觸摸屏，進而導致健康監測儀失效。為防止與ESD相關的故障，TVS二極管起到了至關重要的作用。它能夠吸收用戶接觸產生的高達30 kV的放電，從而保護觸摸屏免受損害。此外，這些元件的漏電流極低，通常小于0.5 μA，有助于減少電池電流的消耗。TVS二極管采用小型0201表面貼裝封裝，其并聯電容可低至15pF，確保數字信號線的完整性不受影響。為確保ESD保護和安全性能不受影響，需確保TVS二極管符合IEC 61000-4-2標準。
4、可靠的用戶界面按鈕
用戶通過用戶界面按鈕來操控健康監測儀的各項功能。為確保設備穩定可靠，這些按鈕要能防潮，經久耐用。因此，設計人員在選擇開關時，應確保其至少達到IP67的防護等級。鑒于健康監護儀等小型設備的空間限制，表面貼裝開關的尺寸應小至0.08 × 0.06 × 0.06英寸（2.1 × 1.65 × 1.65毫米）。這些開關還需在寬泛的工作溫度范圍內（-40℃至+85℃）表現出色，并具備長達300,000次的工作壽命。
采用這些推薦的元件，設計人員可有效提升健康監測儀的電氣安全性，同時確保整個設計堅固耐用，僅需少量元件即可達成這一目標。
5、保護助聽器
圖5 - 助聽器框圖
用戶對助聽器的耐用性和可靠性期望很高。在圖5所示的電路圖中，電路保護和精準控制對于提升產品的可靠性至關重要。以下技術建議表提供了有益的指導。
音量控制和按鈕功能要求開關經久耐用，適應各種環境。設計人員可選的開關樣式很多。對于這些設備來說，開關的尺寸必須微型化、堅固耐用，且質量標準要達到最高。除了克服環境條件的困難外，碎屑和體液也可能影響設備運轉。
正如之前介紹健康監測觸摸屏電路時所說，應使用TVS二極管保護USB接口免受ESD影響。為雙向保護USB數據線，建議在陽極對陽極連接中使用兩個TVS二極管。此外，可采用超小01005倒裝芯片封裝的TVS二極管。
助聽器的主要電源來源于USB Type-C端口，該端口負責為電池提供充電電流。eFuse系列中的某款產品采用DRN1.2x1.6 4L小型封裝，能夠提供過流、過壓和過溫等多重保護。這款部件是專為健康監測儀設計的eFuse的縮小版，尺寸更緊湊。相較于標準版，該縮小版通過采用固定值的保護參數，有效減小了元件體積，減少了外部元件（尤其是去耦電容器）的需求。此外，這款eFuse內置的串聯MOSFET擁有超低RDS（ON）電阻（僅為26 mΩ），顯著延長了電池的使用壽命。
對于助聽器USB接口的保護，另一個直接且有效的方案是采用PPTC自恢復保險絲，它主要提供過流保護功能。PPTC保險絲雖然僅限于提供過流保護，但其電池耗電量極低，且占用PCB空間極小。這款PPTC自恢復保險絲采用0402表面貼裝封裝，電阻值控制在個位數毫歐的范圍內。
6、幫助設計人員應對挑戰
可穿戴醫療設備必須能夠穩定可靠地運行，以實現預期效益。僅需增添數個元件，即可讓產品非常穩健。eFuse保護IC和setP數字溫度指示器等創新元件，不僅以極低功耗實現電路保護，而且有效節省PCB空間。這些元件能保障開關信號的完整性，實現驟變，助力實現卓越性能。
此外，設計人員可利用元件制造商的應用專業知識，輕松應對可穿戴設備保護的挑戰。這些專業知識涵蓋多個方面：
元件制造商可協助選擇兼具成本效益和緊湊特性的保護與控制組件。
他們提供關于適用安全標準的建議，助力產品在全球市場順利銷售。
通過進行預符合性測試，元件制造商可消除重復測試周期，幫助設計人員節省時間和成本。
通過與元件制造商緊密合作，設計人員能夠打造出理想的解決方案：精密且高效，避免因冗余功能而增加復雜性。這種合作不僅縮小了元件尺寸、降低了成本，還為可持續發展提供了有力支持。
在獨特元件與元件制造商專業協助的共同作用下，電子設計人員能夠成功開發出保護完好、性能卓越的可穿戴醫療設備，最終為客戶帶來更可靠、更耐用的產品體驗。
文章翻譯來源：Medical Design Briefs
