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如何設計小型藍牙醫療器械和可穿戴設備 - 降低外形尺寸和成本的七個設計概念

2023 年 10 月 11 日 | Mikko Nurmimaki | 閱讀本文需要 3 分鐘

構建外形小巧且要求嚴格的藍牙醫療器械不僅僅是從市場上挑選最小的硬件組件。您還可以通過優化物料表 (BOM) 來減小產品尺寸。使用 Silicon Labs 的集成藍牙 SoC 和模塊,包括醫療應用中所需的各種外圍設備功能和特性,可以節省大量 PCB 尺寸,提高設計靈活性,并降低成本。

幾十年來,Silicon Labs 一直與許多醫療器械制造商合作。正是因為有了成功的合作,我們開發了多種與無線醫療應用相關的功能,并將其集成到藍牙 SoC 和模塊中。在本篇博客中,我們講解了七個有效的藍牙設計概念,可以節省您在醫療應用中的 PCB 尺寸、設計成本和 BoM。

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Silicon Labs 的藍牙解決方案具有強大的安全性,通過最高 PSA 3 級認證DTSec(聯網糖尿病設備的網絡安全標準)。

七個藍牙設計概念

1. 集成式 AI/ML 加速器

機器學習 (ML) 允許根據現有模型處理大量傳感器數據,以識別異常情況,并確定需要將哪些數據傳輸回云。?對于 EKG 等設備,如今的無線設備將所有收集到的數據傳輸回云進行處理和分析。通過識別設備上的關鍵數據,只需要傳輸回某些數據子集,節省寶貴的資源并延長電池壽命。

人工智能 (AI) 也可以用于原居安老等應用,在這些應用中,監測生命體征、查看數據變化、觀察步態等,以及通常識別非正常模式,可以為提供者提供關鍵的診斷數據,并向護理人員和親人觸發救生警報,從而大大改善,甚至挽救患者的生命。

Silicon Labs BG24 藍牙 SoC 為設備制造商提供了一個集成式 AI/ML 加速器,加快了 ML 推理速度,功耗更低,無需板載外部 ML 處理器。

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2. 模擬外圍設備

ADC 用于許多無線醫療器械和可穿戴設備,以實現傳感器測量和電池電源監控。Silicon Labs 的多個藍牙 SoC 采用了集成式模擬數字轉換器 (ADC),具有 12、16 和 20 位的高分辨率,可節省成本、尺寸、設計和測試工作。此外,與許多競爭解決方案相比,Silicon Labs 藍牙解決方案可為 ADC 提供更高的有效位數 (ENOB),從而實現更有效的采樣。

對于采用基于離散模擬前端 (AFE) 解決方案的 CGM(和其他便攜式醫療器械)制造商而言,ADC 和 DAC 是可在芯片上使用的兩種關鍵功能,因此無需板載其他元件。Silicon Labs BG24 的 ADC 和 DAC 可與外部運算放大器耦合,形成一個完整的模擬前端,同時降低了在 CGM 設備上集成的成本、空間和復雜性。

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3.?DC-DC 轉換器

DC-DC 轉換器是電池供電醫療器械的一項重要功能。升壓轉換器允許 SoC 使用堿性和氧化銀等低壓電池,輸入范圍為 0.8 至 1.7 V,使藍牙 SoC 能夠在較低的電源電壓下工作。降壓轉換器允許 SoC 使用其他 ~3V 電池,例如鋰鈕扣電池,它用于提高能源效率和電池壽命或減小電池尺寸。Silicon Labs BG27 包括這兩種 DC-DC 轉換器。

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4. 電荷計量器

為了預測和防止在關鍵健康應用的使用過程中出現意外電池耗盡,庫侖計數器可準確跟蹤電池電量,以增強用戶的安全和體驗。Silicon Labs BG27 具有集成的庫侖計數器,無需板載其他外部元件。

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5. 低頻 RC 振蕩器

對于藍牙 LE 2.4 GHz 應用,藍牙 LE SoC 需要滿足 ±500 ppm 的指定睡眠時鐘精度。BG22BG27 具有內部低頻 RC 振蕩器 32 kHz (LFRCO),可根據設備上的 HFXO 進行自校準,以滿足藍牙 LE 要求。因此,設備制造商可以去除板載外部低頻晶體,從而節省空間和 BoM 成本,除非應用需要更高的時鐘精度。

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6. 匹配網絡

Silicon Labs 參考無線電板設計通常使用大量元件和多層來進行 RF 和 VDD 濾波,以便在最高輸出功率級別下為設備制造商提供最佳 RF 性能。但是,醫療器械和可穿戴設備使用的功率級別較低,這意味著您可以減少設計中的 PCB 層和元件數量,同時保持可接受的 RF 性能。

通過優化 BG22、BG24BG27 SoC 的 RF 性能,使其符合 ETSI 和 FCC 針對低功耗設備的規定,您可以減少旁路電容器、濾波器和天線匹配網絡的數量,最多可減少 6-14 個元件,從而降低尺寸和 BoM 成本,同時滿足 ETSI/FCC 要求。

詳細了解 BG22、BG24 和 BG27 的尺寸和成本優化藍牙解決方案!

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7.?功耗

將藍牙設備的功耗降至最低,使設備制造商能夠減小設備外形尺寸。在運行期間和優化睡眠模式 (EM2) 下的超低功耗,結合 BG27 中提供的 DC-DC 升壓的 1.5v 電源,使設備能夠安裝一個極小的氧化銀 1.5v 電池,從而最大限度地減小設備的整體外形尺寸。

Mikko Nurmimaki
Mikko Nurmimaki
無線產品高級營銷經理

了解全球最小的可穿戴設備(Lura Health 的智能牙齒植入體),該設備使用 Silicon Labs BG27 超低功耗藍牙 WLCSP 芯片。

觀看我們的網絡研討會,了解如何在不損害 RF 性能和可靠性的情況下最小化藍牙設備的尺寸。

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