Das leisten PMICs in medizinischen Wearables

Die Anforderungen an tragbare medizinische Hardware sind widersprüchlich und stellen eine ständige Herausforderung für die Entwicklungsteams dar: Diese ständig einsatzbereiten Geräte müssen in der Lage sein, mit der Akkulaufzeit optimal umzugehen. Dabei müssen Größe und Gewicht der Geräte so gering sein, dass sie bequem am Körper getragen werden können und somit den Komfort der Patienten gewährleisten, insbesondere, wenn sie rund um die Uhr getragen werden. Die Systeme müssen leistungsstark und robust, aber auch kosteneffizient sein. Die integrierten Schaltkreis-Architekturen für das Leistungsmanagement (PMICs) dieser tragbaren Geräte müssen einen extrem niedrigen Stromverbrauch gewährleisten, eine optimale Messempfindlichkeit bei Fitnesstracking und medizinischen Anwendungen bieten und über ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) verfügen.

Bild 1: Funktionales Blockdiagramm des ADP174 von Analog Devices. Mouser

Bild 2: Funktionales Blockdiagramm des MAX20345 von Maxim Integrated. Mouser

Bild 3: Der TPS6572x von Texas Instruments. Mouser

Die wachsende Beliebtheit von Mobilfunknetzen war einer der wichtigsten Faktoren bei der Entwicklung von Wearables-Technologien, und zwar sowohl aus Verbraucher- als auch aus Gesundheitsperspektive. Ursprünglich für Sport und Wellness konzipiert finden Wearables heute jedoch immer mehr Einzug in den medizinischen Bereich. Neue Generationen von medizinischen Wearables verfügen über eine Reihe von Sensoren für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), wie zum Beispiel Beschleunigungsmesser, Gyroskope und Herzfrequenzüberwachung. Mit der Zeit kamen weitere Sensoren zur Bestimmung von Parametern wie Pulsvariabilität und Hautleitfähigkeit hinzu, die jedoch mit besonderen Herausforderungen im Hinblick auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) verbunden sind. Um der Anforderungsdynamik im medizinischen Sektor gerecht zu werden, müssen Designer nach neuen energiesparenden Lösungen suchen, die gleichzeitig eine bessere Rauschreduzierung bieten.

Rauschreduzierung bei optischen Messungen

Verschiedene biologische Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der optischen Erfassung. In diesem Zusammenhang haben die Entwicklungsingenieure versucht, die Empfindlichkeit zu maximieren, indem sie für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ein deutlich besseres SRV bieten. Spannungsregler-ICs mit niedrigem Ruhestrom werden im Allgemeinen mit Bauteilen eingesetzt, die das SRV verschlechtern, zum Beispiel durch hohe Amplitudenwelligkeit, niederfrequente Welligkeit und lange Einschwingzeiten.

Ein wesentlicher Messparameter im medizinischen Bereich ist natürlich die Herzfrequenz. Neben der Überwachung der Anzahl der Schläge pro Minute können zahlreiche zusätzliche Informationen über das Verhalten des Herzens gewonnen werden (zum Beispiel über den Einfluss der körperlichen Aktivität auf die Herzfrequenz und so weiter). Eine optische Messmethode, die Photoplethysmographie (PPG), misst die Veränderung des Blutvolumens durch die Ausdehnung von Arterien und Arteriolen im Unterhautgewebe und kann auch zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung des Blutes (SPO2) verwendet werden. Im medizinischen Bereich wird diese Technologie in der Regel in einem Clip am Finger eingesetzt. Das Gerät sendet einen Lichtstrahl durch die Haut (durch eine an einer Seite angebrachten LED) und misst die Veränderungen der Lichtdurchlässigkeit im Inneren des Fingers (durch eine auf der anderen Seite des Gerätes angebrachte Photodiode).

Geht es darum, eine kontinuierliche und zuverlässige Herzfrequenzmessung zu gewährleisten, stehen Entwickler jedoch vor mehreren Herausforderungen. Die Effektivität hängt in der Praxis von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel Umgebungslicht, Störungen zwischen der LED und der Photodiode, der Bewegung des tragbaren Gerätes auf der Haut und Ähnlichem. ADPD174 von Analog Devices (Bild 1) ist ein optisches Subsystem, das speziell auf diese Art von Anwendung ausgerichtet ist. Das Modul verfügt über ein hocheffizientes photometrisches Front-End, drei LEDs und eine Hochleistungs-Photodiode, mit denen die beschriebenen Herausforderungen gelöst werden. Die technischen Merkmale eines PPG-Gerätes, das als Armband getragen wird, können den Einfluss des Umgebungslichts weiter reduzieren und somit eine größere Zuverlässigkeit und Genauigkeit gewährleisten. Zu diesen Merkmalen zählen schmalbandige optische Filter und die Modulation des optischen Signals, automatische Verstärkungsregelung und Filterung des elektrischen Signals sowie eine Stromversorgung mit geringer Welligkeit

Der Anstoß zur Optimierung der Energieeffizienz bedeutet eine Einschränkung der optischen Messmechanismen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades werden neuartige Schaltkonfigurationen (anstelle von Standard-LDO-Reglern) verwendet, wobei verschiedene Induktivitäten eingesetzt werden, um den richtigen Versorgungsbus bereitzustellen. Das Spannungsregelelement muss eine geringe hochfrequente Welligkeit liefern, damit es die Herzfrequenzmessungen nicht direkt stört. LEDs müssen in einem anderen Spannungsbereich arbeiten als der, der von Li-Ionen-Batterien geliefert wird. Durch den Einsatz neuer Auf-/Abwärtswandlertechnologien kann Platz auf dem Board gespart und auch der Energieverbrauch gesenkt werden. Durch die Single-Inductor-Multiple-Output (SIMO) -Abwärts-/Aufwärtswandler-Architektur ist die Anzahl der Induktivitäten und ICs, die zur Erzeugung der Ausgangsspannung erforderlich sind, weitaus geringer.

Effizientes Leistungsmanagement durch PMICs der nächsten Generation

Mit dem zunehmenden Erfolg von Personen- und Fernüberwachungsgeräten sind eine Verkleinerung der Bauteilgröße, eine präzise Messung der Parameter und eine Verlängerung der Akkulaufzeit unerlässlich geworden. Die Energieoptimierungsstrategie für Wearables muss sich stark am Management der Downtime orientieren (das heißt, das Gerät muss in den Standby-Modus versetzt werden, wann immer dies möglich ist). Integrierte Schaltkreise für das Leistungsmanagement (PMIC) von Wearables akzeptieren eine sehr niedrige Eingangsspannung und verfügen über Architekturen mit Akkus mit hoher Energiedichte.

Der PMIC MAX20345 von Maxim Integrated ermöglicht es Systemdesignern, den Stromverbrauch von Geräten zu minimieren, die rund um die Uhr im Einsatz sein müssen. Der integrierte Abwärts-/Aufwärtswandler bietet eine bequeme Möglichkeit, die zahlreichen Systemperipheriegeräte zu versorgen, die höhere Spannungen benötigen. Das Ausgangsrauschen dieses Wandlers ist minimiert, um die Messungen in empfindlichen medizinischen Überwachungssystemen so wenig wie möglich zu beeinträchtigen (Bild 2).

Die Modelle der PMIC-Baureihe TPS6572x von Texas Instruments verfügen jeweils über einen integrierten Batterielader und einen hocheffizienten Abwärtswandler. Sie ermöglichen den Einsatz relativ kleiner Induktivitäten und Kondensatoren und können daher in Lösungen mit kleinen Baugrößen eingesetzt werden. Der TPS65720 liefert einen Ausgangsstrom von bis zu 200 mA, die Modelle TPS657201, TPS657202 und TPS65721 liefern jeweils bis zu 400 mA. Alle Modelle der Baureihe TPS6572x verfügen zudem über einen 200 mA-LDO mit einem Eingangsspannungsbereich von 1,8 bis 5,6 V. Dadurch können sie über den Ausgang des Abwärtswandlers oder direkt über die Systemspannung versorgt werden (Bild 3).

Der ACT81460 von Active-Semiconductor ist eine komplette Leistungsmanagementlösung mit einem extrem niedrigen Standby-Strom für eine lange Akkulaufzeit. Er verfügt über einen hocheffizienten Abwärts-/Aufwärtswandler und kann eine Vielzahl von Peripheriegeräten mit Strom versorgen und dabei die volle Batteriekapazität von bis zu 2,7 V ausnutzen, zum Beispiel für die Versorgung eines optischen Herzfrequenzsensors. Die niedrigen Ruheströme in jedem der Regler und im Batterieladegerät garantieren eine sehr gute Energieeffizienz bei geringer Belastung (selbst bei nahezu Nulllaststrom), wie sie typischerweise in tragbaren medizinischen Anwendungen zu finden sind.

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