中心議題：
- 展望便攜式醫(yī)療電子的發(fā)展趨勢
- 探討便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的電路保護方案
- 便攜式電池供電醫(yī)療設備中電容的使用案例
便攜式醫(yī)療電子被許多電子廠商當作下一個掘金點，其中既包括專業(yè)的便攜式醫(yī)療電子設備，也包括家庭和個人的健康護理產(chǎn)品。
便攜式醫(yī)療電子將在近年內迎來快速發(fā)展。首先，全球，尤其是中國，大量人口分布在偏遠地區(qū)，無法享受到應有的醫(yī)療保障，需要有便攜式醫(yī)療設備在家中實現(xiàn)健康監(jiān)控。第二，人口老齡化已成為趨勢，老年人的很多保健需求可以借助便攜式醫(yī)療電子在家里完成，隨著相關產(chǎn)品的普及，家庭醫(yī)療、遠程看護必將大大減輕醫(yī)療系統(tǒng)的負擔。第三，醫(yī)用的便攜式醫(yī)療電子設備能大大方便醫(yī)生的診斷，間接提升醫(yī)院的效率。
這是一塊還未被開發(fā)的市場，有很大的增長潛力。在便攜式醫(yī)療電子市場中，家用電子市場達到65.4%的份額，而且市場呈現(xiàn)加速增長的態(tài)勢，2008年市場的增長速度達到28%。而該市場中的電子血壓計、便攜式血糖儀和電子助聽器占據(jù)了90％以上的銷售份額?？磥?，血壓計、血糖儀等產(chǎn)品是中國家用便攜產(chǎn)品的主力。
便攜醫(yī)療電子的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢：
與無線技術的融合：許多手持式的心電圖或者血糖儀產(chǎn)品，這些產(chǎn)品里面已經(jīng)加入通訊模塊或者通訊接口。用戶可以在家里進行適時監(jiān)測，把監(jiān)測結果發(fā)送給醫(yī)護人員，足不出戶得到專業(yè)醫(yī)護人員的指導。這似乎與無線設備的發(fā)展趨勢有些相似。
微創(chuàng)化：比如便攜式的血糖儀，用測試針開小窗口測量血液。隨著光電技術以及半導體技術的發(fā)展，微創(chuàng)化也將成為趨勢。
友好的人機交互：便攜式醫(yī)療電子可以分為家用和醫(yī)用。對于家用的設備來說，人機交互的能力非常重要。醫(yī)學數(shù)據(jù)通常只有專業(yè)人員才能看懂，如何通過友好的軟件和硬件，讓普通使用者也能了解到各個參數(shù)的意義？另外，和便攜式的電子設備一樣，觸摸屏的使用、語音提示等等直觀的表現(xiàn)方法也將越來越多地用于產(chǎn)品中去。
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便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的電路保護
便攜式電子產(chǎn)品對電路保護的要求包括電路響應時間短、功耗小、需要滿足對環(huán)境的要求。下面，分別從過流保護、過壓保護和過流、過壓保護三方面來論述便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品所采用的保護方案。
過流保護元件是一種非線性正溫度系數(shù)熱敏電阻一旦有過流狀態(tài)出現(xiàn)，過大的電流讓保護元件發(fā)熱使阻值發(fā)生變化，由低阻態(tài)躍變?yōu)楦咦钁B(tài)，從而限制電流，使被保護的電路免受過流損壞；在過流故障排除后，保 護元件冷卻，自動由高阻態(tài)轉變?yōu)榈妥钁B(tài)，恢復正常工作。這種保護元件稱為自復式過流保護元件，如瑞侃電子的PolySwitchTM元件。在未過流時，其電阻值很?。ú煌念~定電壓下阻值不同，一般為零點幾Ω到幾Ω）；在過流發(fā)生時，其電阻值可達mΩ，電流極小接近“斷開”，且斷開時間（time-to-trip）更短。
便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品也常常需要充電，充電的保護也可以通過PolySwitchTM元件完成。下圖就是充電器中PolySwitchTM元件的應用。虛線框內是電池組，PolySwitchTM元件在其中作充、放電過流保護。
過壓保護元器件并聯(lián)在被保護的電路上（見下圖）。在輸入電壓未過壓時，過壓保護元器件呈高阻態(tài)，其泄漏電流甚微；一旦輸入電壓過壓時，過壓保護元器件在瞬 間提供低阻抗通路，并將電壓鉗位于安全的低電壓，從而保護電路免受過壓損害。當輸入電壓降落到正常工作電壓時，過壓保護元器件會自動恢復到高阻態(tài)。多層壓敏電阻（MLV）及ESD保護元件PESD就是常用的過壓保護元件。
MLV、PESD除用過壓保護外，也是靜電放電（ESD）保護元件。在插拔便攜式產(chǎn)品的各種插頭時，各端口很容易受到靜電放電的損壞，因此插拔端口都需要加ESD保護元器件。
現(xiàn)在，市場上已經(jīng)開始出現(xiàn)通過便攜式醫(yī)療電子終端直接實現(xiàn)視頻會話和虛擬診療的方案。對于以觸摸屏為主要的人機交互界面，同時需要傳輸告訴的音視頻信號的應用場合來說，需要在實現(xiàn)ESD保護的同時滿足信號傳輸質量。在電腦、手機中使用的PESD產(chǎn)品也將大量應用在便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品中。PESD的抑制特性如下：
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現(xiàn)在，市場上已經(jīng)開始出現(xiàn)通過便攜式醫(yī)療電子終端直接實現(xiàn)視頻會話和虛擬診療的方案。對于以觸摸屏為主要的人機交互界面，同時需要傳輸告訴的音視頻信號的應用場合來說，需要在實現(xiàn)ESD保護的同時滿足信號傳輸質量。在電腦、手機中使用的PESD產(chǎn)品也將大量應用在便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品中。PESD的抑制特性如下：
過流過壓保護方面，瑞侃電子PolyZenTM元件器件是由精密齊納二極管和聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）元件組合而成的集成電路。它是用于防止感應尖峰電壓、瞬間高電壓、錯用電源適配器對電路產(chǎn)生過壓、過流危害的保護器件。內部結構如下圖所示。
在正常工作時，VIN輸入電壓高于齊納二極管的擊穿電壓VZ，有IFLT電流經(jīng)齊納二極管到地，VOUT輸出穩(wěn)定的電壓。有不正常的過壓輸入VIN 時，則齊納二極管的IFLT會產(chǎn)生過流，當器件上有過流時，其電阻由低阻態(tài)瞬變到高阻態(tài)，使在其上的壓降大增，VOUT輸出基本不變，而流過齊納二極管的 電流IFLT反而減小，如下圖所示。器件上電壓降的增大既保護了齊納二極管，又保護了下游的電路。另外，若被保護的下游電路中存在有局部短路或短路故障 時，IOUT會增加，PPTC元件由低阻態(tài)變成高阻態(tài)，可使電路得到過流保護。
此外，可以用作過壓保護的還包括：
變阻器：金屬氧化物變阻器（MOV）是一種電壓鉗位元件，如電壓超過閥值則其阻抗將變得非常小。MOV具有高度非線性電壓阻抗（V-I）特性，反應速度快，能承受很高峰值電流，待機狀態(tài)下漏 泄電流又較低。其主要應用是保護那些必須滿足“瞬態(tài)電壓浪涌抑制器”UL1449所列要求的產(chǎn)品免受雷電損害，經(jīng)常會用在便攜式醫(yī)療設備中。
ESD抑制器：高密度電路都很容易受到靜電或ESD的侵害。因此要求許多新的電子設備必須滿足IEC61000-4-2標準。靜電（ESD）抑制器的聚合物結構使得制造商可生產(chǎn)出各種形狀因子和配置的ESD抑制器，以滿足各種不同應用的需要。該器件具有小于IPF的電容，可提供良好的限制信號降級和衰減的性能，以保證高速數(shù)據(jù)能正常工作。
便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品大多使用電池組。隨著多功能保護IC的出現(xiàn)，電池組設計人員也將研究重點轉向采用單個多功能保護器件的安全應用。隨著市場越來越多地依賴保護IC，對電路來說ESD 保護也變得非常關鍵。雖然IC很容易整合多種功能，但它們容易受到ESD和熱過載的影響。分立二極管、多層變阻器或基于聚合物的ESD解決方案對保護IC的ESD結構進行了有效補充，提供最高至15kv的ESD保護。
除了ESD，保護IC還容易受到長時間過載條件下的熱應力影響。由于IC的擊穿特性，因此有可能存在一種故障模式，即電路在安全工作限制之外仍能正常工作。隨著對多功能保護IC依賴的增強，保險絲保護方案僅用于冗余保護。
在降低下一代便攜式應用系統(tǒng)成本和尺寸的設計趨勢下，設計人員正致力于用多功能保護IC來替代多個分立元件。為繼續(xù)保持用戶期待的高級別安全性，電池組設計人員正在用多功能保護IC實現(xiàn)的簡單電路取代功能差不多的ESD和保險絲保護。這可使設計人員在降低整體系統(tǒng)成本的同時，繼續(xù)保持便攜式醫(yī)療設備用戶期待的安全保護性能。
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便攜式電池供電醫(yī)療設備中電容的使用
便攜式醫(yī)療設備使用的大容量電容的類型如下：
便攜式醫(yī)療設備使用的大容量電容的類型如下：
對使用可充電二次電池的便攜式設備來說，可以使用多種類型的充電器：降壓充電器、離線充電器或者線性穩(wěn)壓器/充電器。最常用的類型是降壓充電器。這種充電器可以把電池源電壓轉換為較低電壓并予以穩(wěn)壓。轉換器可通過外部交流/直流適配器或者內部適配器電路供電。線性穩(wěn)壓器結構緊湊，非常適用于低容量電池充電器應用。單芯片集成解決方案既可為便攜式設備供電，同時還可單獨對電池進行充電。
下圖是小型直流/直流開關穩(wěn)壓器的例子(使用威世 Siliconix Si9731實現(xiàn)的鋰離子或鎳鎘/鎳氫微處理器電池充電器)。它可以為電池充電器提供同步脈沖開關。該脈沖電池充電系統(tǒng)散熱小，采用TSSOP封裝，高度僅1.2毫米。該器件特性豐富，其中包括可在關斷時將電池（Vbat）和外部電源隔離開來。
充電器中使用的電容有多種類型。輸入去耦電容用于旁路噪聲。一般將0.1μF MLCC電容布置在Vcc引腳附近，用來濾除高頻噪聲。
輸出電容類型的選擇應取決于合適的ESR，以符合穩(wěn)定負載線路范圍，同時應進行下列項目的評估：
1. 能夠降低功耗
2. 能夠降低紋波電壓
3. 能夠滿足系統(tǒng)負載線路的要求
轉換器負責提供負載電流和電壓。隨著負載的變化，電流的增加，電壓會下降。穩(wěn)壓器可以保持恒定電壓，但對負載電流的變化不能迅速做出響應，所以使用大容量電容來應對這樣的變化，防止電壓下降。如果轉換器輸出的電流要通過電感，它就無法瞬時響應，這時就需要在負載兩端跨接一個并聯(lián)電容組，來上拉電壓。有時會混合使用MLCC和鉭電容，以降低總體大容量電容的ESR。由于MLCC的阻抗較低，會先充電，然后才是大容量鉭電容。
便攜式醫(yī)療設備使用的電池或為一次性電池，或為二次電池。一次性電池一般只使用一次。在電路工作過程中，活性化學物質被消耗殆盡。一旦放電完畢，電路將停止工作，必須更換新的電池。二次電池可以在放電完畢后充電，因為產(chǎn)生電能的化學反應可以逆轉，從而實現(xiàn)對電池系統(tǒng)充電。電源、電池類型的選擇視應用而定。醫(yī)療設備常用的一次性電池類型有堿性電池和鋰電池。
二次電池有鋰離子 (Li-ion) 電池、鎳鎘電池 (NiCad)、鎳氫(NiMH) 電池和鉛酸電池。其中鋰離子電池最常用，這是因為鋰離子電池的體積能量密度和質量能量密度最大，放電率極低，這意味著閑置時有良好的荷電保持能力。鉭電容的功耗及容量范圍如下：
便攜式設備電路需要輸出電容，而輸出電容通常由一次性或者二次電池供電，可以在負載瞬變過程中減輕電壓過沖或者下沖。要有效地濾除噪聲，電容的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 是重點考慮的參數(shù)。輸出電容用來處理電路的紋波電流和電壓。需要對電容組的過熱予以控制，這樣在電路工作中，不會超過最大允許功耗。需要確定的是，通過輸出電容的紋波電流不超出允許值。
上表概述了在+25?C和f=100kHz條件下各種封裝（按外殼尺寸劃分）的最大允許額定功率。對溫升在+25℃以上的應用，建議應進一步進行降額。請參考電容生產(chǎn)廠家關于針對可適用的鉭電封裝的功率降額建議。
可使用公式P=Irms2 x ESR計算出最大允許交流紋波電流 (Irms)，其中P表示鉭電容外殼尺寸對應的最大允許功率，ESR則可根據(jù)電容的工作頻率計算得出。
對鉭電容，還需要遵守合適的電壓降額規(guī)范，不可超出生產(chǎn)廠家建議的額定值。輸出電容的工作電壓應由電壓電路狀態(tài)決定。其可根據(jù)公式 Vrated=Vpeak+Vdc計算得出，即紋波電壓加上直流電壓噪聲。允許的紋波電壓的計算方法為E=IxZ，其中Z表示電容器電阻?？傮w來說，較低的ESR可以幫助降低輸出紋波噪聲。
在電路中加入大容量電容還能在無負載條件下（此時電池尚未工作，使用線路電流供電）起到上電作用。當使用線路電流供電時，在選擇大容量鉭電容的額定值的時候，應遵從降額規(guī)范。
