2021年11月15日 | 从模拟前端到电源管理，ADI巩固医疗健康可穿戴市场地位

日前，ADI已经宣布完成了对于美信(现已并入ADI)的收购。在收购之初，ADI CEO Vincent T. Roche就曾经表示：“ADI 和Maxim广泛的产品组合具有高度互补性，我相信Maxim在工业领域真正帮助我们的地方在于我们的自动化和医疗保健领域的特许经营权（franchises）。”

如今随着并购结束，原Maxim事业部正在加速针对医疗领域的创新。ADI(以下均指原Maxim)日前宣布推出临床级模拟前端 AFE MAX86178以及单电感多输出(SIMO)PMIC MAX77659，全方位的助力医疗市场客户实现医疗级别的远程监护产品及服务。

关键生命体征传感技术助力远程医疗的实现

Maxim Integrated (现已并入Analog Devices) 工业与医疗健康事业部医疗健康产品线总经理Andrew Baker对EEWORLD表示，关键生命体征传感技术的创新加速了医疗数据采集的需求和准确度，也使得人们对医疗健康监护的获取有了更全面的途径。可穿戴医疗健康设备持续的新增更多临床检测功能，从而使远程病人监护有了更全面更综合的方案。

Andrew 援引Yole Development 2020年的预测报告指出，医疗健康可穿戴产品的市场规模将从2019年的3.47亿件，会持续增长到2025年能达到7.54亿件，年复合增长率为14%。

全面的远程健康监护可以更好的监测关键生命体征，可帮助疾病预测预防以及慢性病的管理。目前全球医疗费用规模已超9万亿美元，随着远程监护技术的普及，可以有效降低治疗及监护成本，改善护理结构以及提升生活质量。并且，通过与大数据分析进一步结合，还可以在诊疗，提高药效等方面进行更好的决策。

Andrew以目前几款流行的可穿戴设备为例，介绍了远程医疗监护的发展近况。

最常见的要数腕式穿戴设备，用来检测不规则心脏活动或心率失常、心房颤动等情况。

其次是体戴式医疗贴片，能检测多种类型的心率失常疾病，以及慢性疾病的监测。比如可用来监测慢性阻塞性肺病COPD，持续的监测及干预能有效的减小病情恶化和重症住院治疗的风险。

此外，包括戒指等新形态的穿戴设备，可以实现24*7无感知监测，对用户非常友好。

生命体征传感技术需要强大的模拟前端

作为沟通人体与信息系统的唯一通道，模拟前端将直接影响到数据的采集及之后的分析。医疗健康传感器IC利用电流或光检测人体的生命体征。这些生物传感器对信号进行调理，并将信号传输到微控制器上，以便对数据进行储存、计算或在健康监测设备上进行显示。

ADI的医疗健康传感器方案涵盖便携式医疗设备、可穿戴医疗设备、以及健身应用。这些传感器具有低功耗的优势，可有效延长电池寿命。这些高度集成的传感器IC具有模拟前端(AFE)、ADC和ESD/EMI保护电路，可以有效减少整个解决方案使用的芯片数量。Maxim的PPG和ECG测量产品符合临床级性能要求，AFE具有低信噪比的高动态范围，支持各种应用的完整光学模块并且内置算法，可显著减少方案的芯片使用量。

最新推出的临床级 AFE MAX86178，包含三种采集系统——光学、心电和生物阻抗，支持4种生命体征测试功能——ECG、心率、血氧饱和度和呼吸率，满足可穿戴监护仪对于小型化的需求，可应用于包括心律失常监护贴片、新冠检测贴片、一次性心电图监测器、可穿戴传染病监护、可穿戴患者监护仪等广泛场景中。

如图所示，不同的生命体征传感可实现不同的应用案例

MAX86178内置的PPG 数据采集系统最多支持 6 个 LED 和 4 个光电二极管输入。 LED 可通过两个高电流 8 位 LED 驱动器进行编程。接收路径有两个低噪声、高分辨率通道，每个通道都包括独立的 20 位 ADC 和环境光消除 (ALC) 电路，从而实现高性能的集成光学数据采集系统。

ECG 通道集成 EMI 滤波、导联脱落检测、右腿驱动和内置自检的校准电压功能。 ECG 通道还具有高输入阻抗、低噪声、高 CMRR、可编程增益、抗混叠低通滤波器和高分辨率 ADC。满足IEC 60601-2-47 动态心电图系统监测合规性要求。

BioZ 接收通道具有 EMI 滤波和广泛的校准功能。 BioZ 接收通道还具有高输入阻抗、低噪声、可编程增益、低通和高通滤波器选项以及高分辨率 ADC。有多种生成输入激励的模式：平衡方波/灌电流、正弦波电流以及正弦波和方波电压激励。提供多种振幅和频率选择。

MAX86178 具有 DC 和 AC 导联脱落检测、灵活的定时系统和 PLL。所有三个传感器通道都是同步运行的，可完成最准确及时的检测。

Andrew表示，与此前的MAX86176产品相比，MAX86178 增加了BioZ 传感，因此可增加呼吸系统的检测。此外，MAX86178可以配合ADI的单片机、蓝牙、电池管理、温度传感器等器件，可获得较完整的远程监测系统。

可穿戴设备需要更高效的电源管理系统

如果说模拟前端是沟通人体与系统的桥梁，那么电源管理则是发动机，为所有电子系统提供所需的电力。

Maxim Integrated (现已并入Analog Devices) 电池电源方案事业部多功能电源产品线执行总监Karthi Gopalan表示，随着电池供电的便携式诊断仪器不断涌现，电源管理也要与生物传感器进行协同设计，这意味着在不牺牲传感器信号准确度的情况下，保证最少的噪声、功耗和尺寸。

Karthi表示，随着可穿戴设备的功能越来越强大，各种处理器、传感器数量增多，电源电压轨随之变得更加复杂，这就需要集成度更高的PMIC芯片进行配合。

ADI最新推出的单电感多输出(SIMO)MAX77659，根据ADI提供的数据，相比离散方案，可以减少50%的方案尺寸，BOM减少60%，延长20%的电池寿命，并加快4倍的充电速度。 

MAX77659集成了一个Buck Boost充电器以及三个独立可编程的Buck Boost稳压器。采用了SIMO架构，使得所有开关电路可以共用一个电感，最大程度的缩减了方案尺寸。这些稳压器通过高于91%的重载效率和低至5μA的静态电流，极大延长了电池寿命。MAX77659还提供100mA LDO，为噪声敏感电路如音频等部分供电，该LDO可以配置为负载开关，以便在不需要时通过断开外部负载来管理功耗。

MAX77659高度可配置的开关充电器支持广泛的锂电池，并包括电池温度监测以提高安全性（符合JEITA标准）。该设备包括两个GPIO和一个模拟多路复用器，将多路内部电压和电流切换至外部节点，便于利用外部ADC进行监测。双向I2C接口允许配置和检查器件的状态。内部开/关控制器为调节器提供受控的启动顺序，并为工作中的器件提供监控功能。丰富的出厂可编程选项允许针对众多应用定制器件，支持较快的上市时间。

与传统的DC-DC方案相比，SIMO电源转换器架构可同时实现节省空间与保持高效率的特点，从而有效延长电池寿命。通过单电感提供多路输出，SIMO架构与低静态电流稳压器IC有效延长空间受限、电池供电产品的电池寿命。

在传统的开关稳压器结构中，开关稳压器的每路输出都需要一个独立电感。这些电感体积大、成本高，不利于实现小尺寸封装。为减小尺寸，有快速、紧凑和低噪声特点的线性稳压器成为另一选择，但损耗较大。还有一种选择是混合使用多路低压差稳压器(LDO)和DC-DC转换器，但设计的体积比单独使用LDO体积大。

SIMO架构则可通过共用电感，将原本需要多个分立元件的功能集成到较小封装中。此外，SIMO架构的各个输出轨道公用同一个输入引脚，因此还可以共享旁路电容器，从而进一步减少BOM。

光学传感器使用集成LED测量血氧的反射饱和度、脉搏率或其他生命体征。为了产生足够的强度，LED需要在更高的电压范围内运行（4V至5V），这比锂电池的典型范围大。设计师会面临艰难选择：给系统增加一个降压器，这需要增加IC；或者添加电感和电容器，这会占用宝贵的空间；或者牺牲信噪比，但是会对测量精度产生影响。SIMO的Buck Boost体系结构则可很好地解决这一问题，高达5.5V的输出可以轻松驱动LED。

SIMO的最小输入电压为2.7V，可最大限度地利用可用电池容量。

SIMO共享电感具有分时复用功能： 由于每个输出轨道所需要的电感电流峰值发生在不同时间，对电感饱和电流电流的要求得到了有效降低。

ADI的SIMO转换器通常达到了占位面积和散热之间的最佳平衡，其结构既拥有DC-DC转换器的优势，又具有单个DC-DC转换器+多个集成LDO架构的外形尺寸。此外，通过减少电感，也消除了电感之间的空隙，进一步降低总外形尺寸。

此外，ADI还提供SIMO计算器以帮助用户平衡SIMO相关参数设计。

MAX77659除了可应用在医疗可穿戴设备上，包括TWS、蓝牙耳机、智能可穿戴设备、腕表、助听器等市场。

值得一提的是，针对不同的便携设备，其系统内部使用的元器件种类不同，ADI推出过一系列SIMO架构的PMIC，从而应对不同的设备，以最小的成本获得最佳面积、效率和电池寿命表现。

“医疗市场接下来将会以患者为中心，诊断及护理体系将从碎片化向数据化、科学化、移动快捷的医疗保障系统转变，这对于底层的半导体技术来讲，也将是一次巨大的挑战和机遇。”

Maxim在医疗市场的积累

2012年，原Maxim就曾在中国展示高集成度远程诊断、体征监测服(Fit)参考设计。此后，随着远程医疗技术的不断发展，原Maxim在医疗健康领域（尤其是可穿戴设备）收获颇丰。

也正因此，原Maxim甚至曾设立Maxim Venture，该投资基金的Slogan为“超越芯片”。通过利用美信的技术、关系和资本，帮助医疗保健相关行业的初创公司，实现一个更健康的世界。

正如原Maxim高级副总裁、Maxim Venture负责人Chris Neil所说，收集和分析测量数据绝非易事，为了预防性诊疗、虚拟护理、预测性监测、疾病管理等方面的知识，业界需要医疗级的小型化，低功耗可穿戴设备，高集成度的经济型集成芯片，高分辨率超声图像收发器和高性能传感器信号链，以及包括生物阻抗、光、电、温度测量等全面的传感器支持。

对于针对可穿戴医疗设备的创业型企业来说，Maxim Venture可以提供包括传感器、模拟、安全和隐私加密、以及低功耗和电源管理方案在内的产品及方案的全方位支持。