得益于物联网和电子技术的发展，医疗护理越来越个性化、持续性。如今，需要接受密切监测和持续用药的患者可以借助可穿戴式医用注射器进行治疗。医务人员可以通过无线通信监测并调整药量和流速。较小的注射器尺寸可满足患者日常活动的需求，让患者摆脱有线设备的负担或限制（图1）。

图1：互联给药系统正在颠覆患者的用药方式

设计人员必须开发出随时可靠运行的产品。产品须尽量满足高效的要求，以最大限度延长电池的续航能力。鉴于注射器的空间和重量有限，设计人员须尽量减少组件数量，缩小组件尺寸，在集成所有基本功能的同时确保设备稳定运行。

本文为设计人员提供了针对过流和静电放电等电气危险的电路保护建议，并介绍了一些可实现低能耗电路设计的特殊传感和检测组件。采用这些组件可让产品在满足小型、轻便、低能耗的同时实现稳定可靠运行。

1、可穿戴式医用注射器的描述

图2：可穿戴式医用注射器示例及推荐保护和控制组件

图2为一个可穿戴式医用注射器。注射器图示周围展示了为注射器电路提供保护和有效控制的组件。图3为可穿戴式医用注射器的框图。框图右侧的表格列出了建议在特定电路模块中使用的保护和控制组件。

长寿命锂离子（Li-ion）电池为医用注射器供电。采用USB电源为电池充电。根据注射器电源要求，需使用USB-A、USB-B或USB-C接口为电池充电。USB-A和USB-B接口可提供20 W的充电功率，而USB-C接口可提供100 W的充电功率。

图3：可穿戴式医用注射器框图

微控制器单元（MCU）驱动注射器的电机，并根据活动状态检测和位置传感器获得定位反馈。注射器通过无线通信接口传输数据，并从医务人员处接收修改设置。

2、稳定的保护功能

设备稳定运行需要防止电气危险。使用专用组件可预防危险，保护电路模块。如果使用USB-A或USB-B接口，高分子聚合物正温度系数（PPTC）的自恢复保险丝可为USB输入电路提供过流保护。请选择电阻极低的PPTC保险丝，以尽量减少电流通过保险丝产生的功率损耗。对于大多数额定电流，PPTC保险丝的内部电阻均低于1Ω。PPTC保险丝采用节省空间的小型表面贴装封装。

针对更高功率的USB-C接口，可采用更全面的USB输入电路保护替代方案。这是一张单芯片解决方案，即一种四侧引脚表面贴装集成电路，集过流、过压和过热故障保护功能于一身。图4展示了该组件的框图，属于Littelfuse eFuse™电子保险丝保护集成电路系列。除了过流、过压和过热故障保护外，该电子保险丝还具有软启动电路，可最大限度减少浪涌电流，并具有欠压锁定功能，可在电源电压达到适当水平之前阻止操作。为了最大限度地降低功率损耗，该电子保险丝采用导通电阻（26 mΩ）极低的串联负载开关FET。一旦检测到任何故障情况，负载开关FET就会将输入电压降至可关闭注射器的水平。这款电子保险丝采用DFN1.2×1.6_4L表面贴装封装，可节省空间。

图4：低能耗电子保险丝（型号：LS0504EDD12；5.5V、4A）（图片来源：Littelfuse）

电池管理集成电路监控电池的充电状态（SoC）和健康状态（SoH），最大限度延长电池寿命。要保障电路稳定运行，就必须提供静电放电保护。瞬态电压抑制器（TVS）的双向二极管阵列包含两个阳极对阳极连接的TVS二极管，可安全吸收高达±30 kV的静电放电冲击。该型号的TVS二极管可达到纳秒级响应，并将电压箝位至10V，以保障电池集成电路稳定运行。

电机驱动电路需预防电源浪涌和静电放电。TVS二极管可保护电路免受这两种危害。现有的表面贴装组件可安全吸收高达400 W的浪涌脉冲功率和30 kV的静电放电冲击。这些TVS二极管的瞬态响应速度非常快，不到1 ps。有两种配置可供选择，单向单二极管设计和双向阴极对阴极器件。

TVS二极管还具有保护显示、预防无线通信电路静电放电的功能。低电容TVS二极管可以最大限度减少低电平射频信号失真，避免接收信号时产生的误差。只需少量组件就能保护电路免受电气危险。这些组件能耗极低，采用表面贴装封装，有效节省空间。

3、不断优化的高效传感和控制功能

要最大限度降低能耗并节约空间，就需要高效、小型的传感和控制电路模块。设计人员可以采用以下方法实现这两个设计目标。

剂量输送检测电路需要借助开关来指示药瓶的位置。可提供宽3.5毫米×深2.8毫米×高3.35毫米、作动力低至35克的表面贴装检测开关。接触电阻低至500 mΩ，使用寿命超过100,000次。设计人员可选择顶部或侧面启动。

活动状态检测电路具有多种功能，包括药瓶安全指示、注射器输出电流是否接触患者皮肤的验证。该电路还能激活药物注射并进行药物剂量监测。设计人员可以采用以下几种方法检测这些状态。

第一种启动方式是小尺寸、隐秘、通过顶部操作、表面贴装的按压式开关。尺寸为宽2.5 mm×深1.65 mm×高0.55 mm。该开关的防潮和防尘等级为IP67级。使用寿命可高达30万次，接触电阻低至500 mΩ。第二种是检测开关，可通过电路检测到输注的剂量。

第三种是磁簧开关。设计人员可以采用灵敏度可变的超小型密封磁簧开关。磁驱动不会消耗电路中的电能，开关的漏电流微不足道，仅能以皮安计量。

第四种选择是隧穿磁阻（TMR）开关。它由一个磁隧道结传感器和CMOS电路组成。这种磁力触发数字开关集高灵敏度和超低能耗于一体。图5是隧穿磁阻开关的框图。温度补偿稳压电路可确保内部电路的电压稳定性。施密特触发器具有开关滞后特性，可抑制噪声。CMOS推挽电路提供输出驱动。

图5：包含隧穿磁阻传感器和驱动电路的集成开关（图片来源：Littelfuse）

隧穿磁阻开关位于注射器柱塞腔底部的一端，有一块小磁铁安装在注射器柱塞上。当电机将柱塞推向注射器底部和隧穿磁阻开关时，开关会产生一个不断增大的输出电压，并切换逻辑状态。开关会提示柱塞的位置。微控制器（MCU）利用位置信息确定注射药物的体积。

隧穿磁阻开关在1.8V-5V的电路供电时仅消耗200 nA电流，可检测到低至5高斯的磁场。CMOS输出可直接连接到MCU，无需使用额外组件。高灵敏度和低能耗最大限度地减少了电池能耗，使隧穿磁阻开关成为可穿戴式注射器进行药物剂量监测的最佳解决方案。

注射器采用微处理器或微控制器进行控制。单芯片MCU可以提供所有所需功能，且能耗较低，有利于节省储存空间和能耗。MCU的睡眠模式可大大降低非活动状态期间的能耗。

高效的8位MCU可用于控制注射器的运行。现有MCU的运行电流低至2 mA。放缓时脉速度设置可进一步降低工作电流。这些MCU配置了低能耗非活动状态模式，电流消耗最低可达0.7μA。这些型号可配备15个分辨率为12位的ADC模数转换通道、16 kb闪存和片上阵列式温度传感器。此外，这些MCU配置了用于PWM驱动电机的高分辨率计时器。

MCU还配置了外设I/O端口，经优化后可与无线通信芯片组件连接。为了有效控制电机，可使用栅极驱动器连接MCU和功率模块MOSFET或IGBT的电机驱动器。栅极驱动器配置了TTL和CMOS电路输入，可直接连接到MCU输出控制线。采用一种逻辑输入类型——施密特触发器，最大限度降低了电机扭矩纹波，在高低侧输出间具有50 ns传播延迟，实现了对电机的精确控制。

4、可穿戴式医用注射器的标准

为保证患者安全，医疗器械受到严格监管。表1为产品设计工程师在研发符合标准的设备时必须遵守的全球通用标准。需掌握这些标准及其对设备设计的影响，这对医疗设备能否获得监管部门批准至关重要。

表1：可穿戴式医用注射器的适用标准

5、稳定高效的专业设计

可穿戴式医用注射器必须保持每周7天、每天24小时不间断运行。因此，确保其性能稳定可靠至关重要。注射器不宜过流、过压、过热、静电放电。增加供电保护组件可以满足设备体积小、能耗低和重量轻的要求。本文介绍的表面贴装低能耗组件可以最大限度减少对电路的不利因素，也不会对尺寸、能耗和重量等产生重大影响。

设计人员可以利用组件制造商的专业知识节省开发时间和合规成本。产品应用工程师可以帮助设计人员选择经济高效的保护和控制组件，也可以指导适用标准所规定的设计要求。为了节省测试成本，并避免因多次符合性测试而造成产品交付延误，部分制造商可以进行预先符合性测试，以防测试失败。在专家的协助下，结合应用推荐的组件，能制造出低能耗、坚固耐用、尺寸小、重量轻的可穿戴式医用注射器。

原文来源：Medical Design Briefs

图片来源：Littelfuse

文章翻译：Medtec Team