可穿戴设备是指可以佩戴在身上,能够检测或记录人体生理状态、运动量等信息,并将这些信息传输到智能手机或其他设备上的电子产品。
伴随着可穿戴设备更为密切地融入人们的生活，医疗健康行业的生态系统也在逐步变迁，人类生命体征的监测方式正逐步由医疗机构转移到个人家中。
随着医疗发展和个人认知的逐步升级，医疗健康正变得越来越个性化以适应个人需求，目前已经可以利用 AI 技术给出诊断建议。
新冠大流行已经成为加速医疗健康行业个性化的催化剂，特别是对远程医疗、医疗科技和移动健康领域而言。消费类可穿戴设备包含了更多的健康监测功能，功能之一就是监测使用者的健康状况使其持续关注血氧、心率等自身参数。
如果使用者已经达到了必须接受治疗的程度，那么穿戴健康设备对特定生理参数的持续监控就显得更为重要。
时尚的外形设计、准确的数据收集和较长的续航能力是一贯市场以来对消费类健康可穿戴产品的基本要求。当下，除了以上特点，易于穿戴、舒适、防水、轻薄等需求也成为了市场竞争的重点。
本文就当下可穿戴设备面临的挑战、电源要求及其解决方案做一简要概述。
可穿戴设备面临的挑战
可穿戴技术面临的最普遍的挑战是追寻更小尺寸且功能强大的电源解决方案，难点在于提高电池的续航能力。总体而言，舒适度、精度、电池寿命、充电、数据协同是可穿戴设备当下面临的普遍挑战。
舒适度：舒适意味着产品的外形尺寸必须足够小。使用者通常不希望在社交聚会中公开展示这些穿戴设备；
精度：获取精确的测量结果是监测健康的基础，使用者只有在信任被测数据的情况下才会坚持佩戴使得产品真正起到健康监控的作用；
电池寿命：使用者通常期望不要因为充电而频繁穿脱设备，因此足够长的电池续航时间也是设计者努力的方向；
充电：对于持续监测生命体征的人群，使用者通常期望设备离开身体的时间越短越好，因此要求设备能够迅速完成充电；
数据协同：多维度测量需要的不仅仅是数据本身，更需要数据间的协同。数据协同意味着设备必须集成更多特性，比如配备蓝牙或 GPS 功能使得信息更有价值。
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可穿戴设备的系统构成及设计要求
通常，患者在接受治疗期间和治疗刚完成时会严格遵守医嘱按时吃药和锻炼，但一段时间后则会掉以轻心，不再完全遵从医嘱。而这正是可穿戴设备发挥重要作用的地方，患者可以佩戴可穿戴健康设备来监控其生命体征数据从而得到实时的提醒。
如下图所示，当前的可穿戴设备在过去固有功能的基础上又增添了更多的智能化模块，比如 AI 处理器、传感器和 GPS/音频模块等。它们的协同工作可以提高测量精度、实时性和交互性，从而最大发挥传感器的作用。
但是，随着更多功能的加入，可穿戴设备会面临空间限制的挑战。首先，组成系统的传统组件并未减少，比如电源管理、电量计、微控制器、存储器、温度传感器、显示屏等；其次，鉴于人工智能已成为智能设备日益增长的需求之一，需要加入 AI 微处理器以方便数据分析并提供更为智能的输入输出，比如通过音频输入支持语音控制；
再次，需要搭载更多数量的传感器以更好地监测生命体征，比如生物健康传感器、PPG、ECG、心率传感器；最后，设备需要使用 GPS 模块、加速度计或陀螺仪来确定使用者的运动状态和所处位置。
为方便数据分析，不仅微控制器需要传输并显示数据，不同设备之间也需要数据通讯，甚至有些设备需要将数据直接发送至云端。以上功能提升了设备的智能性，但也使得原本就已经受限的空间更为紧张。
使用者欢迎更多功能，但他们并不希望因为这些功能而导致尺寸的增大，反倒会希望在同样或者更小的尺寸中添加这些功能。因此小型化也是系统设计人员所面临的巨大挑战。
功能模块的增加意味着更为复杂的电源设计，因为不同模块对电源有着特定的要求。
光学血氧传感器模拟前端（AFE）
光学血氧传感器模拟前端是可穿戴设备的关键组成部分。AFE 需要 1.8V 和 5V 两路电源轨。其中，1.8V 电源轨是 AFE 的模拟电源，其噪声必须足够低，因为 AFE 的基准电压使用的是该路电源轨；5V 电源轨是 LED 的驱动电压。
在 AFE 正常工作时，LED 发光射入皮肤，经皮肤反射再被光电二极管收集。作为光学系统的一部分，LED 发射的光只有很小一部分才能进入光电二极管。
因此，稳定的电源轨对 AFE 非常重要，它可以帮助 AFE 获取有用的信息而为数据分析做好准备。
另外，作为模拟量，光学信息需要被数字化以发送给微控制器分析处理，最后再显示在设备上。
光学血氧传感器模拟前端的设计上需要注意几下几个方面：
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必须确保电源具有较小的噪声、较低的纹波、较好的瞬态响应和较快的建立时间；
2. 需要避免选择特性漂移过太的 LED，当被施加电压或电流而发光时，LED 的特性应保持稳定；
3. AFE 需要能够从光电二极管中提取信息并对信号滤波；
4. 光电二极管的放置位置和系统的精度息息相关。光电二极管通常放置于手部或耳部，但是当人体跑步时，人的手会不停移动而耳部则相对稳定，因此从稳定性的角度来选择耳部更好。除此之外，还有其他因素会影响整个系统的精度，这都需要设计者权衡；
5. 需要采用有效的滤波处理算法来识别用户是在跑步还是在休息，并使得接收的信号具备更高的信噪比。
PPG 传感器
PPG 技术是一种非侵入式的监测技术，常见的应用有心率、血氧、呼吸和连续血压趋势监测等。PPG 传感器通过发光二极管（LED）发射光信号穿透皮肤和血管，并通过光电二极管（PD）接收反射回的光信号并按比例转换成电流信号，最终传回微控制器分析。
PPG 信号获取的注意事项有：
1. 若使用者的肤色较黑，那么反射回的光信号会较微弱；
2. 在使用者的运动过程中，设备也需要准确地分析数据；
3. 设备的震动也可能对设备获取高度可重复的光学数据造成困难。
可穿戴设备的电源解决方案
典型的可穿戴系统就像一个功能的综合体：除了集成上述讨论的 AI 处理器、传感器、GPS、音频模块，也可能会集成振动、蜂鸣器或蓝牙等越来越多的功能。据估计，实现这些功能的解决方案的尺寸会达到约 43mm2，总共需要 20 个器件。
为减小系统的整体尺寸，使用单电感多输出 SIMO PMIC 进行设计是个不错的选择。SIMO PMIC 可以提供不同电源轨以优化性能，在节省空间的同时提高系统效率。
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SIMO 解决方案采用开关电源的架构，只要使用一个电感就可以实现多路输出，使得所有功能可在不足 22mm2的电路板尺寸中实现。
相较于传统解决方案，SIMO 解决方案的尺寸可减少大约 50%。电感是电路板上尺寸最大的无源元件之一。采用 SIMO 方案后，不仅尺寸得以减少，元件数量更减少大约 40%。从物流和节省空间的维度来考量，使用更少的元件都是至关重要的。
文章来源：EDN电子技术设计