在快速發展的可穿戴醫療設備研發中，功能、性能、功耗、體積及成本等多種要素都會受到嚴格約束。定制ASIC可以使原始設備制造商更好地平衡各種要素，實現設計優化，并保護免受供應鏈的影響。但是，基于各種固有矛盾，始終離不開設計權衡。本文對主要的幾種設計權衡進行了詳細分析，旨在為設計優化提供實質性幫助。

雖然定制ASIC能夠使原始設備制造商對功能和需求實現更好的平衡，但現實中仍非完美無缺。實際上幾乎所有應用也都是如此，尤其對先進的可穿戴醫療系統而言。這類系統中，功率預算、功能和外形都受到嚴格限制。本文研究了原始設備制造商在采用ASIC方案時，可能面臨的一些關鍵權衡，以及如何更有效地平衡這些權衡。

醫療保健和健康應用所采用的可穿戴技術，代表著一個巨大的市場機會。其設計潛在覆蓋范圍很廣，從智能膏藥到手腕監視器，再到治療系統。但許多此類設備都有一系列常見的約束限制，其中最重要的就是精度、能耗、體積和成本。

盡管上述每個約束都對硬件設計有著重要影響，但設計師通常需要面對的權衡主要集中在設備的能量配置上。功耗如何隨著活動變化，這往往決定了體系結構決策以及設計滿足其他約束的程度。

權衡1：設備常開VS電池容量

所用電池容量將限制可提供給設備的能量。而采用能量收集的無電池設計將受到更大的限制。能量限制將約束設計的幾個方面。從系統設計的角度來看，在所有級別上對能量決策影響最大的是占空比。

盡管許多醫療保健設備表現為“常開”，但在大多數情況下，高效的設計將確保大多數電路在低占空比下運行：在被喚醒采取行動之前，盡可能長時間地休眠和斷電。在現代工藝節點中，功率門控是必不可少的，以防止功率晶體管不斷漏電流。例如，采用多個時鐘和電源域，可以確保只在正確的時間才向需要電源的子系統供電。

很多時候，系統中唯一始終處于活動狀態的電路，是高能效的定時器和內存緩沖器，它們定期喚醒前端電路來執行數據轉換，并將數據轉移到緩沖器中。電路或固件可以監視輸入數據，以查看是否已經超過某些閾值，或者緩沖器是否已滿。如果是，則邏輯可以觸發狀態轉換，該狀態轉換會喚醒監控微控制器，來進行數據分析。在這個級別上做出的決策，有可能會導致系統的更多部分被喚醒，從而采取進一步的行動，包括采取數據中繼的形式，利用藍牙將數據中繼到另一個物聯網設備或智能手機等。

盡管睡眠和喚醒周期可以在軟件或固件級別進行管理，這并不一定是功效的最佳選擇，在考慮全系統功耗時，前端ASIC可以提供顯著優勢，這正是其被采用的原因之一。前端ASIC通常可以提供如下能力，即對非定制前端數據轉換器的預定義狀態中可能不用的功率狀態進行微調控制。

權衡2：性能VS電池容量

許多現成的高分辨率ADC都采用Σ-Δ架構。在該架構中，數字濾波器利用采樣率來換取源自相對簡單的模擬輸入級的分辨率。在現代半導體工藝中，這是一種以相對低成本來提供高精度和大動態范圍的設計方法。大動態范圍有助于管理醫療保健設備中的干擾，因為在醫療保健設備中，有用信號里通常會混入許多噪聲。

對捕獲的數字信號進行處理時，若采用功能相對強大的處理器，則可以從相對較小的有用信號中濾除大部分噪聲和干擾。然而不幸的是，這種策略將使得系統的功耗變高。不僅DSP執行的過采樣和濾波需要很多能量，主微控制器中實施的許多數字后處理也需要大量的能量，且每次捕獲都需要激活主微控制器。

當為實現高分辨率而增加抽取濾波器數量時，Σ-Δ轉換器的高延遲會使這個問題更加惡化。從捕獲序列開始，獲得每個采樣塊所需的時間，都會導致主微控制器/系統占空比的提高。

一種更節能的解決方案是專注于處理更靠近信號的干擾，然后利用混合信號電路來處理常見的噪聲，這樣可以將傳送到主微控制器的信號變得更干凈、且所用速率更低。對于這類設計，通常需要在ASIC上利用定制DSP來執行過采樣信號的數字濾波，這樣做有兩個目的：一是通過消除大干擾對信號的影響，進而可以降低對ADC大動態范圍的需求。其次是在將濾波后的信號傳輸到微處理器過程中，可以采用較低的采樣率，從而減少了電路活動，降低了功耗。

通過在ASIC的存儲器中緩沖一些輸出樣本，并以更長間隔喚醒微控制器來讀取和處理這些樣本，可以進一步減小功耗。在極限情況下，只有在出現特定的信號特征或事件時，例如心率出現異常值，這類異常數據才會被傳輸與記錄，并會喚醒系統來實施進一步操作。由于此時輸出采樣率較低，還可以將輸出采樣存儲在ASIC上的存儲器中，進一步降低喚醒微控制器的讀取頻度，從而進一步降低功耗。

由于對大動態范圍的需求較少，故ASIC可以采用能耗低得多的轉換架構。可能仍然是Σ-Δ轉換架構，但可采用更簡單、延遲更小的抽取濾波器。這種設計的啟動開銷更低，從而有助于采用更短的加電和斷電周期以及輸入信道的多路復用。

另一種選擇是逐次逼近(SAR)設計，總體上這是一種能提供高能效的架構。對于變化較慢的輸入信號，其電荷積分電路可以提供能量利用、分辨率和捕獲速率的最佳組合。

權衡3：功能VS外形尺寸

前端ASIC的一個重要特性是可以大大節省空間。芯片尺寸通常小于3×3mm，使得這些器件非常適合醫療保健可穿戴設備的小安裝結構。

然而，充分利用ASIC緊湊特性的芯片級封裝，器件能夠提供的I/O連接端口數量卻有限，這與在系統中構建更多傳感器輸入的趨勢背道而馳。多輸入可提供探測更多皮膚部位的能力，進而可獲得更高質量的信號。智能醫療可穿戴設備越來越多地將來自不同模式傳感器的數據相結合，以改善整體結果，同時更有效地處理各輸入附帶的噪聲。

圖1：獲得2022年詹姆斯·戴森獎的SmartHeal智能傳感器敷貼。該敷貼由華沙理工大學的學生發明，利用pH值來監測傷口的愈合情況，并利用RFID進行低功耗通信。(圖片來源：詹姆斯·戴森基金會)

在減小芯片尺寸和增加I/O連接端口數之間，傳統的權衡方法是在封裝中采用比標準的0.4mm間距更高的密度。但這可能會增加整體系統成本，因為需要對PCB和組裝技術進行升級，以處理更窄間距的電路跡線。另一種選擇是增加I/O通道上的多路復用水平，特別是用于與外部微控制器的連接。

串行端口上的多路復用，提供了一種根據數據吞吐量來安排引腳數量的有效方式。這樣可根據所用的協議來安排，從而更具有靈活性。如果利用雙線I2C就能夠支持設備所需的數據速率，就不要用四線SPI，這就意味著可以釋放兩條寶貴的I/O引腳。

減少引腳數量的另一個方式是優化電路設計，應盡量避免利用外部無源元件(如電容器和電感器)來實現模擬信號處理功能。半導體廠提供的混合信號工藝，支持在金屬互連堆疊中形成無源元件，并且可以在管芯尺寸與引腳數量之間提供有效的折衷。

還值得一提的是，先進封裝技術通過在單個封裝中直接嵌入模擬前端和各種傳感器，這樣也能釋放PCB面積和I/O引腳的約束。

權衡4：BoM VS成本

在理想情況下，系統的大部分功能將被集成到一片ASIC中。不過，在某些情況下，這在經濟上是不可行的。

集成到ASIC中的功能以及ASIC實現這些功能所需的工藝節點，將受到許多因素的影響。包括電壓電平、IP可用性、對非易失性存儲器的支持、所需邏輯門的數量和成本等。與邏輯或存儲器的工藝快速升級不同，晶體管及其集成組件的工藝升級較慢，從而使得模擬接口及相關支持電路在成熟工藝節點上更具經濟性。

雖然魚與熊掌不可兼得，不過一個好的ASIC設計師，將能夠平衡各種折衷，并考慮整個系統，從而找到最佳選擇。

實際中一個很好的權衡例子是葡萄糖監測貼片。這種類型的設備需要模擬前端、無線通信的BLE支持、處理器核和閃存。假設采用55nm工藝，ASIC的總開發成本可能達到數百萬美元。因為不光要考慮設計和半導體廠生產掩模費用，還要包括BLE和處理器IP的許可費用。

實現相同設計的一種更具成本效益的方式是采用模擬前端ASIC，該ASIC與各種現成的支持BLE的處理器相配合。如果能夠支持外部處理器的話，就會更具靈活性，如果供應鏈要求的話，就可以支持制造商的變更。

這樣做將需要復制ASIC中的一些功能，可能需要額外的通用I/O、I2C、SPI以及電源管理接口。這可能會增加ASIC的尺寸，況且表面上看會增加制造成本，但實際上，總成本可能會更有效地降低。因為ASIC將能夠采用具有較低掩模成本的成熟工藝，例如130nm。另外，ASIC需要的IP許可更少，這也會降低開發成本。而且該架構仍能提供供應鏈保護。

圖2：在低功耗小尺寸系統中，ASIC設計雖然有多種權衡，但成本、性能、尺寸、功能和電池壽命都將得到優化。

結論

采用ASIC方法可以保護免受供應鏈問題的影響，并支持優化設計。但總是需要各種權衡，在選擇這種設計方案之前，應該對這些權衡進行充分理解。