如何為電池供電的醫(yī)療或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電

電池供電的無線連接設(shè)備在當(dāng)今社會(huì)變得越來越普遍。在無線和電池技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，再加上不斷縮小的電子元件消耗更少的電力以及準(zhǔn)備收集、分析和傳播數(shù)據(jù)的基于云的服務(wù)，這些設(shè)備通常用于消費(fèi)、醫(yī)療和可穿戴設(shè)備以及在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中。

無論設(shè)備是可穿戴連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀 (CGM)、可攝取或植入式醫(yī)療設(shè)備，還是智能家居設(shè)備、資產(chǎn)跟蹤器或環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，都具有體積小、壽命長、可靠性和易于操作的共同要求利用。這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員面臨的主要問題之一是在需要時(shí)為設(shè)備供電。

僅在需要時(shí)為 IoT 設(shè)備供電（或在部署之前保持其斷電）至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員希望盡可能使用最小、成本最低的電池。因此，延長電池壽命始終是設(shè)計(jì)目標(biāo)；在使用過程中以及通電之前，必須盡量減少電池消耗。

一個(gè)流行的例子是為 1 型或 2 型糖尿病患者開具的 CGM。該設(shè)備附著在患者的身體上，持續(xù)監(jiān)測(cè)他/她的血糖水平。生成的數(shù)據(jù)以無線方式傳輸給患者、醫(yī)生和/或胰島素泵。CGM 必須非常小、“防水”且易于安裝，并且在電池電量耗盡之前具有相當(dāng)長的使用壽命。

在使用或部署時(shí)為這些設(shè)備供電有三個(gè)基本選項(xiàng)。對(duì)于這些選項(xiàng)中的每一個(gè)，需要考慮的基本變量是電池電流消耗、尺寸、入口保護(hù)和用戶友好性。

圖 1：TMR 磁傳感器采用超小型封裝尺寸，功耗幾乎為零，其非接觸式“開機(jī)”功能提高了易用性。

第一個(gè)“開機(jī)”選項(xiàng)是機(jī)電的，或常見的“開關(guān)”。此選項(xiàng)是為大多數(shù)電池供電的電子設(shè)備（如筆記本電腦和手機(jī)）供電的方法。盡管開關(guān)有多種形式（例如，按鈕、滑塊或撥動(dòng)開關(guān)），但它們的操作原理相同，即打開和關(guān)閉機(jī)械觸點(diǎn)以允許電流流動(dòng)（關(guān)閉時(shí)）或完全阻止電流流動(dòng)（打開時(shí)）。

關(guān)于電流消耗的首要考慮，機(jī)電開關(guān)是高效的，因?yàn)樗且环N不消耗功率的無源器件。然而，就尺寸而言，機(jī)械開關(guān)是一個(gè)糟糕的選擇，尤其是考慮到許多可穿戴、可攝取和可植入醫(yī)療設(shè)備以及其他小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸限制。

在入口保護(hù)（或需要具有防水和防潮的設(shè)備）方面，機(jī)械開關(guān)不是最佳選擇，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的開關(guān)可以由用戶機(jī)械移動(dòng)到開/關(guān)位置，同時(shí)保持不滲透性具有挑戰(zhàn)性。

最后，出于兩個(gè)原因，考慮到用戶友好性或易用性，機(jī)械開關(guān)的評(píng)價(jià)不佳。首先，因?yàn)橛脩舯仨殞?shí)際執(zhí)行此步驟（并且許多需要被指示這樣做），所以對(duì)許多設(shè)備的要求是“開箱即用”——這與手動(dòng)操作開關(guān)明顯沖突。其次，非常小的機(jī)械開關(guān)需要非常小的設(shè)備，這可能會(huì)影響用戶將開關(guān)實(shí)際移動(dòng)到打開位置的能力，從而降低可用性。因此，總而言之，機(jī)械開關(guān)在電流消耗方面得分很高，但在防護(hù)等級(jí)、尺寸和易用性方面卻很低。

無線開機(jī)是分析的第二個(gè)選項(xiàng)。由于這些設(shè)備已經(jīng)具備傳輸數(shù)據(jù)的無線功能，因此設(shè)計(jì)人員在技術(shù)上可以使用相同的無線功能通過手機(jī)應(yīng)用程序?yàn)樵O(shè)備供電。

從入口保護(hù)的角度來看，無線開機(jī)的評(píng)價(jià)很高。而且從尺寸的角度來看，無線開機(jī)的評(píng)價(jià)也很高，因?yàn)闆]有任何東西可以添加到設(shè)備中來實(shí)現(xiàn)此功能。

然而，從電流消耗的角度來看，無線開機(jī)得分極低，因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)部的無線接收器必須開機(jī)才能接收到開機(jī)信號(hào)。僅出于這個(gè)原因，無線開機(jī)很少用于對(duì)電池壽命有嚴(yán)格要求的設(shè)備。

圖 2：技術(shù)比較

第三種選擇是使用設(shè)備內(nèi)部的磁傳感器來啟動(dòng)開機(jī)功能。在這種情況下，向傳感器施加磁場(chǎng)以觸發(fā)通電。磁場(chǎng)通常由位于產(chǎn)品包裝內(nèi)或設(shè)備輔助組件（例如 CGM 的涂抹器）中的磁鐵產(chǎn)生。用戶也可以使用手持磁鐵在設(shè)備上滑動(dòng)來施加磁場(chǎng)。

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TMR 傳感器如何工作？

磁性感應(yīng)在侵入保護(hù)方面得分非常高（因?yàn)樗且环N“非接觸式”方法）。磁感應(yīng)在易用性方面也得分很高——尤其是當(dāng)磁鐵可以嵌入設(shè)備包裝（實(shí)現(xiàn)“開箱即用”）或設(shè)備的輔助組件（例如，涂抹器）中時(shí)）。有時(shí)，設(shè)備本身被設(shè)計(jì)為兩個(gè)組件，在部署時(shí)必須將它們連接在一起。

就電流消耗和尺寸而言，磁感應(yīng)的可取性完全取決于磁感應(yīng)技術(shù)。較舊、更傳統(tǒng)的磁傳感技術(shù)類型要么體積小但功耗高（霍爾效應(yīng)），要么體積大且功耗為零（簧片開關(guān)）。

然而，許多新設(shè)備都采用稱為隧道磁阻 (TMR) 的新型磁傳感技術(shù)設(shè)計(jì)，該技術(shù)具有非常小的尺寸（與 LGA-4 一樣?。┖蜆O低的功耗，類似于簧片開關(guān)。實(shí)際上，TMR 磁傳感器提供了“兩全其美”。

隨著當(dāng)前旨在使生活更輕松、更安全、非接觸式和/或可遠(yuǎn)程操作的新設(shè)備的涌現(xiàn)，電子設(shè)計(jì)人員不得不采用新技術(shù)來滿足電池供電的可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、可攝取設(shè)備、和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在與小尺寸、低功耗、侵入保護(hù)和易用性相關(guān)的最佳功能方面，磁傳感器——尤其是 TMR 傳感器技術(shù)——正在幫助使“不可能”的設(shè)計(jì)成為可能。

審核編輯：湯梓紅