受益於超可攜式可穿戴偵測裝置的發展和採用，數位健康正在經歷一場革命。這些裝置能夠使長期和慢性疾病患者將健康偵測與日常生活整合，從而比以往任何時候都更加便利地提供高水準護理。然而，在不使用大尺寸電池的情況下，要為這些裝置長時間供電，為設計師帶來巨大挑戰。
與大多數「高科技」裝置一樣，每一世代新型可穿戴裝置都比上一世代整合有更多功能，這通常會加大在功率方面之挑戰，因為更多功能通常需要更高功率。增加電池尺寸通常並不是好方法，因為這會增大裝置的整體尺寸和重量，對所有用戶都不方便，對可能使用裝置的老年患者或嬰兒來說更是一個巨大負擔。同樣不能接受的是須縮短充電間隔時間，這樣留下的唯一選擇是採用更智慧的方法來管理裝置電源。
可穿戴裝置完整系統設計
儘管可穿戴醫療裝置尺寸很小，但卻是功能齊全的系統，其中包含許多基本組成部分。一個典型裝置包括：
1. 一個微控制器(MCU)，用於運作程式/韌體以及管理和處理資料。
2. 一個可充電電池，用於提供能量使裝置正常運作。
3. 用於收集待偵測物理規格資料的感測器，比如脈動計或血糖偵測儀，也可能是加速度計或陀螺儀等通用感測器。
4. 一個無線通訊介面，通常是常見的低功耗協定，如藍牙低功耗(BLE)或近場通訊(NFC)等。
5. 安全保障，通常為硬體和軟體組合，可以加密所有發送資料，並防止惡意干擾韌體。
所有醫療偵測裝置都有特定用途，即便它是一個用於偵測生命體徵的通用健身腕帶。裝置用途決定了MCU和感測器選擇，尤其是精度、可靠性和量測重複性等規格。單次電池充電可能達到的量測時間長度也會影響元件選擇，在某些情形下，需要超低功耗裝置。MCU是系統核心，須與包括感測器和其他元件在內的所有周邊元件整合。在許多情形下，特定體系架構可將周邊元件分成域，某些域在不需要時可以斷電。例如，僅在有資料傳輸時才需要射頻操作，或者某特定感測器可能每分鐘讀取一次資料，可以在等待期間斷電。
電池技術演進
近年來，電池技術有了長足發展，已有的電池化學物質得到進一步改進，同時也開發了一些新化學物質。在可穿戴裝置中最常見的類型是鋰離子(Li-ion)電池，它每個電池單元可以產生3.2V到4V電壓。雖然鋰離子聚合物(Lipo)電池可應用於某些可穿戴裝置，但鋰離子電池由於較高的儲存容量和環境友善特性，成為可穿戴裝置應用之首選。
但是，物理定律仍然適用於鋰離子電池，其儲存容量與物理尺寸之間存在著很強的關聯，這意味著在大多數空間受限的設計(如穿戴式裝置)中，只有相對較少的能量來為裝置供電。為改善這一狀況，業界正在繼續研究新的材料和技術，多項研究表明，石墨烯是一種極有潛力大幅提高單位體積電池容量的方法。另一種途徑是超級電容器，這種途徑受益於奈米技術的總體改進。
超低功耗MCU
為了設計一個現代可穿戴裝置，裝置開發者正在選擇功耗盡可能低的MCU。目前，最進階的一種MCU在運作時消耗電流明顯小於1mA，而在睡眠模式下只消耗幾nA。除了自身功耗外，由於MCU控制周邊元件的電源供應，因此它在整體功耗中起著關鍵作用，確保不會浪費任何寶貴的電池容量。
縱觀市面上的MCU，如Maxim Integrated的MAX32660 MCU即平衡了性能和效率，使其成為可穿戴裝置設計的理想選擇之一。該MCU採用32位元ARM Cortex M4內核，包括有一個浮點單元(FPU)處理器以及用於感測器和其他裝置的周邊管理。這樣的MCU能夠控制外部儲存裝置，允許開發和運作進階處理演算法。在功率性能層面也有不錯的表現，每MHz時脈速度只需要50μW功率；而在物理尺寸層面，該元件僅為1.6mm×1.6mm(WLP封裝)大小，使其能夠輕鬆安裝在空間受限的可穿戴裝置(圖1)。
圖1 MAX32660功能框圖
另一家提供低功耗32位元MCU的供應商是Microchip，其SAM系列包括基於ARM Cortex-M0+技術的小型SAM D MCU、基於XLP的高性能MCU PIC32MX以及SAM L系列超低功耗元件。在睡眠模式，這些節能元件僅需200nA電流，而在運作模式，這些高能效元件所需電流小於35μA/MHz。雖然它們尺寸小、功率低，但同時具備多功能，包括LCD埠、運算放大器、即時時脈和mTouch感測，並具有USB和DMA介面。
而Silicon Labs的EFM32則是基於Cortex-M3的Giant Gecko，也是32位元醫用可穿戴式MCU，這些元件包括自主的低功耗周邊裝置，例如用於更高安全性的AES加密、用於通訊的UART、一個低功率感測器介面、以及整合運算放大器(圖2)。
圖2 EFM32功能框圖
裝置不再單純依靠電池
由於患者可能忘記定期為裝置充電，這意味著偵測可能會被耽擱，因此電池技術在醫療應用中可能是一個挑戰。在某些情形下，護理者可能會承擔充電責任，但這將對醫療系統增加進一步負擔。出於這些考量，醫療行業在採用基於電池的醫療監視器方面的進展非常緩慢，使得製造商們開始尋找其他替代供電方法。
能量收集不仰賴於電池的儲存能量，而是透過太陽光或熱量等來產生電能，或者在患者配戴裝置時透過四處移動產生電能。有足夠的光/熱/運動，這種方法可以提供幾乎無限的能量來源，使可穿戴裝置無需任何干預就可以無限期地操作。
每人平均每天透過散發熱量或者運動要耗散107J的能量，這意味著只要熱量/運動可以轉化為電能，就可以很容易地產生足夠能量為小型可穿戴裝置供電。將熱量轉化為電能的原理是Seebeck效應，它根據兩點之間的溫差產生電壓，在可穿戴裝置情形下，這兩點可能是接觸患者的表面(溫暖)和周圍環境(涼爽)。用於這種轉換的技術是一種基於半導體的Peltier Cell，它能夠每週7天，每天24小時全天侯產生電能，而太陽能光伏在室內不能很好地運作，在夜間則根本不能操作。
當病人運動時，也會產生能量，這種機械運動可以透過壓電(Piezo-electric)元件轉化為電能，壓電元件對每一個動作(如行走或運動)都會產生小電流。Wurth Electronics提供的能量收集解決方案即用開發套件，可在能源收集領域為開發人員提供一種便捷的方式。
板上電壓調節
可穿戴裝置通常有一個板上DC/DC轉換器，即便電源有波動，也能夠保證系統中所有裝置的電壓恆定。進階的DC/DC轉換器通常由MCU控制，並管理裝置的所有能量，確保盡可能高效地使用能量，包括DC/DC轉換器本身不消耗過多能量。相關的產品如Linear Technology所推出的LTC3107，是一款高整合度DC/DC轉換器解決方案，該產品專為獨特的能量收集機制而設計，而且相當節能。若整合使用熱源能量收集和電池，可顯著延長電池壽命，從而減少與電池更換相關的成本和不便(圖3)。
圖3 LTC3107的典型應用電路
可穿戴醫療裝置在尺寸變得更小的同時，也在繼續提供更多功能，需要創新的電源管理方案。雖然更高能效地使用電池能量有顯而易見的好處，但是能量收集可以提供諸多優勢，包括更高便利性，特別是在系統由進階DC/DC轉換器良好管理的情形下。
(本文作者任職於貿澤電子)