全民健康保健是近期最為重要的一個政治、社會和經濟問題，注意力主要集中在為未投保人員提供健康保險。全民健康保健還意味著為難以享受醫療服務和服務水準低落地區的人們提供醫療服務，因此須要依賴科技來解決，如智慧手機、平板電腦和生物醫用感測器。
到目前為止，市場上已有超過四萬個醫療應用程式，而這只是開始。2011年，醫療應用程式下載量為1.24億次，在2012年下載量則倍增至2.47億次。2012～2017年健康與健身狀態感測器的出貨量年複合成長率預估將超過37%(圖1)。
 |
| 圖1 歷年醫療應用的下載量 |
目前，安裝於行動平台上的生物感測器能夠監測睡眠、飲食、妊娠、處方管理、情緒、血壓、血糖水準、花粉濃度、最大流量值、聽診、心律、超音波、皮膚應力化學藥品以及很多其他情況。隨著越來越多的先進設備連接到手機，將可實現各種診斷程序。
運算能力提高 耗用功率增加
 |
| 圖2 手機內部的先進應用處理器，其速度和運算能力逐年遞增。 |
然而，新型行動醫療監測和運算功能是需要成本的，而這個成本就是耗用功率。手機內部安裝有先進的應用處理器，其速度和運算能力逐年遞增(圖2)。然而，隨著處理器更新換代，對電池壽命的壓力也不斷增加。對於運行在行動平台的遠端醫療系統的電池來說，這個問題尤為嚴峻。
長時間存取讀數的能力通常是醫療遠端監測的關鍵任務。當重要的醫療保健與電池壽命相關聯時，電池壽命自身也變得非常重要。那麼，傳統行動電池能否跟上處理器的進步速度呢？在很多情況下，大概是不能的。
雖然電池性能也不斷改進，但其進步的速度跟不上所供電的處理器進步速度。透過能量密度衡量的電池性能只是以線性速度提高，遠遠低於呈指數增長的處理器演進速度(圖3)。這就造成了需要較長電池壽命的醫療應用深惡痛絕的動力差距。
 |
| 圖3 透過能量密度衡量的電池性能只是以線速提高，遠遠低於呈指數增長的處理器演進速度。 |
每天給手機充一次電是多數使用者的慣例，但是對於很多醫療應用卻不適用。例如，常見的行動醫療診斷如動態心電圖監測(即行動EKG)，必須運行一整天、幾天、甚至幾週才能充一次電。因此，行動醫療設計必須尋找一切機會來減少耗用功率，並增強目前行動平台的電源配置。
行動醫療裝置適合用一次電池
可充電單節(Single Cell)鋰電池是多數行動設計常用的初始平台，因為有許多的積體電路(IC)支持2.5伏特(V)至4.2伏特的電壓範圍，然而，這對於很多醫療設備可能不實用。由於目前手機、平板手機和平板電腦大多使用尺寸越來越大、亮度越來越高的顯示器技術，耗用功率也越來越大，因此電池的尺寸也已經增大了很多，目前3,000mAh的電池變得相當普遍。即使這樣，每天充一次電仍舊是不可缺少的。
不管怎樣，醫療手持設備和感測器與消費類手機和平板電腦相比，其使用情況有很大差異，因此很快地便可排除使用須要每天充電的整合式可充電電池的可能性。那麼，如果需要較長的使用壽命，該如何提供呢？
這時，一次電池(Primary Cell)的概念就應運而生。一次電池定義為透過不可逆化學反應產生電勢的電池。根據定義可知，一次電池不可充電；一次電池就是在商店購買的老式電池，一直使用到耗盡電池電量，然後丟棄。
一次電池的優點在於，與可充電電池相比，通常在較長的時間內保留更多的電荷。一次電池有很多形狀，但手持或佩戴型應用常用電壓為1.5伏特圓柱形電池(如AA、AAA等)或3伏特鈕扣型電池。這些電池以無負載條件下的較長儲存期限及相對較低的更換費用而見長。
典型的1.5伏特鹼性電池設計採用0.9伏特Vmin，但通常串聯成堆，使輸出電壓範圍翻倍或增至三倍。眾所周知，鈕扣型電池(如CR2032鋰電池)的構成在其預期壽命的大部分時間(視負載瞬態分布而定)均可提供穩定的3伏特輸出電壓。由於3伏特電勢非常有用，經常並聯嵌套，以處理更大的負載瞬態，還可直接與微處理器連接，而無須直流對直流(DC-DC)調節。
解決極性反接保護問題
由於電池電量耗盡後，須要將一次電池手動插入設備中，有可能存在不正確的電池插入操作。反向電池的負電勢對大多數IC和微處理器都有害，因此必須提供極性反接保護。最簡單的保護形式是一個蕭特基阻塞二極體，但在電池壽命較長的應用中無法接受壓降和對應的效率損失。可以使用P通道單結型場效應電晶體(FET)，但其特徵不是真正的負電壓阻塞。當需要反向阻塞時，通常需要兩個FET串聯來確定相反結構中體二極體的方向。對於各種電池配置而言，還須要考慮這些金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)適當的閘極驅動，以及應用的時間。
 |
| 圖4 極性反接保護元件的配置 |
為解決極性反接保護的問題，半導體業者研發出一個IC系列，能夠像蕭特基二極體一樣進行阻塞，但訊號能夠以MOSFET的效率通過。以該系列中的高端保護元件FR014H5JZ為例，可提供-30伏特的阻塞能力和+32伏特的正向傳輸能力。電池正確插入時，FR014H5JZ在小於20毫歐姆(mΩ)的負載下對功率分配幾乎是沒有影響的。這個簡單但有效的元件能夠替代多個元件，同時還能延長電池壽命。圖4顯示該極性反接保護元件的配置。
透過向所有電池電源設計的電源路徑下游靠近，智慧負載開關可用來斷開不需要的高漏負載或暴露的連接器，這在高可靠性醫療應用中相當普遍。智慧負載開關結合數位開/關控制、湧浪電流保護、反向電流阻止、溫度保護和過流保護；當負載電勢高於電源電勢時(即使非常短暫)，反向電流阻止特性將非常有用。晶圓級晶片尺寸封裝和底部焊接凸塊以及小至0.8毫米(mm)×0.8毫米的尺寸都有助於優化電路板空間。可以採用簡單的P通道FET，但如果需要額外保護，尤其是當開關位於很遠的上游從而在故障時可能引起下游多處斷電時，須要在P-FET周圍配置其他元件，調整向智慧負載開關的靠近。
採用可充電電池的行動電源(尤其在醫療相關應用時)可能與板載一次電池和功耗可能較低的能量收集，實現更深層次的混搭。在這種情況下，極性反接保護元件和智慧負載開關將變得更有價值。延長電池壽命的關鍵是使電源電勢與負載要求保持一致，同時限制所需的直流對直流調節。
顯而易見，生物醫療感測器、醫療應用程式、雲端運算服務與行動平台的結合，已為行動醫療硬體元件開發商提供更廣闊的應用市場，硬體工程師和IC設計業者的任務即是確保這些平台擁有動力，並且能保持長效的動力，以實現各種行動醫療創新應用。
(本文作者任職於快捷)