如何设计小型蓝牙医疗器械和可穿戴设备 - 降低外形尺寸和成本的七个设计概念

2023 年 10 月 11 日 | Mikko Nurmimaki | 阅读本文需要 3 分钟

构建外形小巧且要求严格的蓝牙医疗器械不仅仅是从市场上挑选最小的硬件组件。您还可以通过优化物料表 (BOM) 来减小产品尺寸。使用 Silicon Labs 的集成蓝牙 SoC 和模块,包括医疗应用中所需的各种外围设备功能和特性,可以节省大量 PCB 尺寸,提高设计灵活性,并降低成本。

几十年来,Silicon Labs 一直与许多医疗器械制造商合作。正是因为有了成功的合作,我们开发了多种与无线医疗应用相关的功能,并将其集成到蓝牙 SoC 和模块中。在本篇博客中,我们讲解了七个有效的蓝牙设计概念,可以节省您在医疗应用中的 PCB 尺寸、设计成本和 BoM。

 

Silicon Labs 的蓝牙解决方案具有强大的安全性,通过最高 PSA 3 级认证DTSec(联网糖尿病设备的网络安全标准)。

七个蓝牙设计概念

1. 集成式 AI/ML 加速器

机器学习 (ML) 允许根据现有模型处理大量传感器数据,以识别异常情况,并确定需要将哪些数据传输回云。 对于 EKG 等设备,如今的无线设备将所有收集到的数据传输回云进行处理和分析。通过识别设备上的关键数据,只需要传输回某些数据子集,节省宝贵的资源并延长电池寿命。

人工智能 (AI) 也可以用于原居安老等应用,在这些应用中,监测生命体征、查看数据变化、观察步态等,以及通常识别非正常模式,可以为提供者提供关键的诊断数据,并向护理人员和亲人触发救生警报,从而大大改善,甚至挽救患者的生命。

Silicon Labs BG24 蓝牙 SoC 为设备制造商提供了一个集成式 AI/ML 加速器,加快了 ML 推理速度,功耗更低,无需板载外部 ML 处理器。

 

2. 模拟外围设备

ADC 用于许多无线医疗器械和可穿戴设备,以实现传感器测量和电池电源监控。Silicon Labs 的多个蓝牙 SoC 采用了集成式模拟数字转换器 (ADC),具有 12、16 和 20 位的高分辨率,可节省成本、尺寸、设计和测试工作。此外,与许多竞争解决方案相比,Silicon Labs 蓝牙解决方案可为 ADC 提供更高的有效位数 (ENOB),从而实现更有效的采样。

对于采用基于离散模拟前端 (AFE) 解决方案的 CGM(和其他便携式医疗器械)制造商而言,ADC 和 DAC 是可在芯片上使用的两种关键功能,因此无需板载其他元件。Silicon Labs BG24 的 ADC 和 DAC 可与外部运算放大器耦合,形成一个完整的模拟前端,同时降低了在 CGM 设备上集成的成本、空间和复杂性。

 

3. DC-DC 转换器

DC-DC 转换器是电池供电医疗器械的一项重要功能。升压转换器允许 SoC 使用碱性和氧化银等低压电池,输入范围为 0.8 至 1.7V,使蓝牙 SoC 能够在较低的电源电压下工作。降压转换器允许 SoC 使用其他 ~3V 电池,例如锂钮扣电池,它用于提高能源效率和电池寿命或减小电池尺寸。Silicon Labs BG27 包括这两种 DC-DC 转换器。

 

4. 电荷计量器

为了预测和防止在关键健康应用的使用过程中出现意外电池耗尽,库仑计数器可准确跟踪电池电量,以增强用户的安全和体验。Silicon Labs BG27 具有集成的库仑计数器,无需板载其他外部元件。

 

5. 低频 RC 振荡器

对于蓝牙 LE 2.4 GHz 应用,蓝牙 LE SoC 需要满足 ±500 ppm 的指定睡眠时钟精度。BG22BG27 具有内部低频 RC 振荡器 32 kHz (LFRCO),可根据设备上的 HFXO 进行自校准,以满足蓝牙 LE 要求。因此,设备制造商可以去除板载外部低频晶体,从而节省空间和 BoM 成本,除非应用需要更高的时钟精度。

 

6. 匹配网络

Silicon Labs 参考无线电板设计通常使用大量元件和多层来进行 RF 和 VDD 滤波,以便在最高输出功率级别下为设备制造商提供最佳 RF 性能。但是,医疗器械和可穿戴设备使用的功率级别较低,这意味着您可以减少设计中的 PCB 层和元件数量,同时保持可接受的 RF 性能。

通过优化 BG22BG24BG27 SoC 的 RF 性能,使其符合 ETSI 和 FCC 针对低功耗设备的规定,您可以减少旁路电容器、滤波器和天线匹配网络的数量,最多可减少 6-14 个元件,从而降低尺寸和 BoM 成本,同时满足 ETSI/FCC 要求。

详细了解 BG22、BG24 和 BG27 的尺寸和成本优化蓝牙解决方案!

 

7. 功耗

将蓝牙设备的功耗降至最低,使设备制造商能够减小设备外形尺寸。在运行期间和优化睡眠模式 (EM2) 下的超低功耗,结合 BG27 中提供的 DC-DC 升压的 1.5v 电源,使设备能够安装一个极小的氧化银 1.5v 电池,从而最大限度地减小设备的整体外形尺寸。

如需详细了解低功耗的好处,请阅读全球最小的可穿戴设备(Lura Health 的智能牙齿植入体)的案例研究,该设备使用 Silicon Labs BG27 超低功耗蓝牙 WLCSP 芯片。

 

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Mikko Nurmimaki
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