基于SIMO技術的低功耗心率手環測量方案

心率測量

目前市場上心率測量主要有電勢測量和光電測量兩種方法。電勢測量是一種比較傳統的測量方法，該方法通過獲取心電信號，經過R-R峰值檢測獲得心率。而光電測量在穿戴市場方面比較流行，其測量基于“光電容積圖”（PPG）技術。該方法利用了血液對綠光或其它光的吸收性，通過測量反射或透射光強的變化來反映血流量的變化，也即心臟的收縮和舒張，從而得到對應的心率數據。這種方法的基本原理是當光照透過皮膚組織后再反射到光敏傳感器時，光會有一定的衰減。而有些衰減，像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等對光的吸收是基本不變的，但是血液不同，由于動脈里有血液的流動，那么對光的吸收會有所變化。當我們把光轉換成電信號時，正是由于動脈對光的吸收有變化而其他組織對光的吸收基本不變，得到的信號就可以分為直流DC信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應出血液流動的特點，從而得到心率和其它生理參數。大部分的腕帶式心率測量設備都采用了這種反射式測量方法，我們這款設計也是采用了反射的PPG技術。

系統架構

圖1所示為本設計框圖。該設計采用3.7V 鋰電池供電，USB 對其充電，整個電源管理采用了Maxim SIMO技術的集 成電源管理芯片MAX77651B。對PPG的處理，設計采用了Maxim最新的高性能處理前端MAX30112。而處理器用的是Maxim專門針對穿戴等應用場合的MAX32660。整個板子的尺寸（包括所有元件）是36mm*14mm，可以嵌入到目前市場上絕大部分流行的手環帶中。

圖1. 設計系統框圖

圖2. MAX30112 結構框圖

模擬集成前端

MAX30112是Maxim公司完整的光學血氧和心率檢測模擬前端(AFE)，具有19位高分辨率，并內置了環境光消除電路和噪聲消除電路，可以有效的去除噪聲，提高信噪比。芯片集成了高達200mA的電流LED驅動電路，并可以通過內置DAC準確調節電流大小，以適應不同的測量場合和人群。MAX30112是腕式應用的極低功耗的高性能心率/血氧檢測解決方案，主電源1.8V，支持標準I2C兼容接口，體積只有2.8mm x 2.0mm，主要用在腕式可穿戴設備，心率和SpO2監測設備以及健身可穿戴設備上。

處理器單元與心率算法

MAX32660是帶有浮點運算單元 (FPU)的超低功耗ARM M4核的MCU，自帶256KB閃存、96KB RAM、16KB指令緩存、14個通用I/O引腳，采用簡單的SWD編程。其內部振蕩器工作頻率高達96MHz，支持SPI，UART和I2C通信。 它集成了優化的電源管理單元，待機電流只有2uA，可以最大程度延長電池的工作時間。MAX32660的超低待機功耗，靈活的電源配置，超小體積（1.6mm x 1.6mm），使其非常適合可穿戴設計應用，包括運動手表，手環，健身設備，可穿戴醫用貼片，手持醫療設備和物聯網(IoT)等應用。本設計中，MAX32660處理各種軟件工作，還包括一款動態心率算法。

圖3. MAX32660 結構框圖

圖4. MAX32660 軟件流程圖

模擬前端測試：MAX30112作為信號處理的核心部分，其信噪比直接決定了整個設計的性能，下圖是幾位測試對象的信號輸出波形，可以看到PPG波形質量很好，完全可以滿足各種算法要求。

lady_w1, 30years old, wrist, HR=84

Kid boy_f3, 9 years old, wrist, HR=72

man_l4, 42 years old, wrist, HR=76

man_f6, 42 years old, wrist, HR=68

信號處理測試：為了說明效果，我們專門開發了靜態的心率算法，該算法可以根據測試對象特點進行自動跟蹤調整測量參數。我們隨機抽取了幾組測量對象，和目前市場上流行的手環產品對比。以下是測試對比表。

Table 1. 測試對比表（測試條件：手腕，共6名測試者）

電源管理系統

穿戴設備都是電池供電，對工作時間有一定要求，同時對體積也有嚴格要求，希望越小越好。比如本設計要求在120mAH的電池下，可連續工作24小時，待機可以達到2周。因此，電源管理系統就顯得尤為重要。小尺寸、鋰電池供電設備的大多數PMIC還會需要其它附加器件，例如boost、buck或低壓差（LDO）穩壓器、充電管理器或用于LED顯示器的電流調節器。為節省空間、提高效率，MAX77651將上述功能全部集成在一起，構成完整的電源方案，而面積只有19.2mm2 ，基本是當前市場上類似方案尺寸的1/2。MAX77651另一個顯著特點是采用單電感多輸出（SIMO） buck-boost架構，憑借獨特的內部控制系統實現單個電感提供三路電源輸出，并結合150mA LDO和三路灌電流驅動器，大大減少板級元器件數量，最大程度地增大電路板可用空間。為提高設計靈活性，MAX77651分別支持最高3.3V和5V工作電壓，同時也提供各種工廠編程選項，允許客戶根據自身需求量身定制方案，使產品快速上市，是一款理想的低功耗設計應用的芯片。因此，MAX77651具有超低待機功耗（0.3uA），高效率，少器件，小尺寸的顯著優勢。下圖是采用Maxim SIMO方案和傳統電源方案的一個示例對比測試。

圖5. SIMO方案和傳統電源方案對比

圖 6. MAX77651 應用框圖　　

電源測試：系統既有高精度模擬電源，也有數字電源，而我們設計采用的是單一集成的電源方案，因此其性能對系統精度極為重要。電路設計和PCB布線一定要以數據手冊要求為主，尤其重點要注意以下幾點：

一是IN_SBB和SBBx的電容要盡可能的靠近管腳，盡量不要有過孔；

二是SBBx的輸出走線盡可能短，減少和負載端的分布參數；

三是由于SIMO 是高度集成方案，外圍器件很少，主要就一個電感和幾個電容，所以整個尺寸很小。為了保證性能，需要多層布板，建議4層或以上，保證有單獨的電源層和地層。

下圖是本參考設計測試的MAX77651B 輸出波形，可以看到紋波最大是40mVpp。這是單一電感3輸出的效果，性能完全可以接受。

圖7. MAXREFDES1207電源紋波測試

測試

圖8是本設計的產品，我們所有測試都是基于它進行的測試。

圖8. MAXREFDES1207

參考文獻：

1． MAX30112數據手冊，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/sensors/MAX30112.html

2． MAX77651數據手冊，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/power/switching-regulators/MAX77651.html

3． MAX77650/MAX77651 編程手冊，Maxim Integrated Products

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6428

4． MAX32660數據手冊，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/microcontrollers/MAX32660.html

5． MAX32660 用戶編程手冊，Maxim Integrated Products

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6659