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超低功耗、高精度、小体积！思瑞浦CGM动态血糖仪应用方案

2024-05-08

传统的血糖仪简称BGM（Blood Glucose Monitor，指尖血糖监测），需要频繁穿刺手指采血，会带来疼痛感且存在潜在感染风险，同时，BGM还存在血糖监测盲区和夜间无法有效监测血糖的问题。对于测量频率不高的二型糖尿病患者，上述问题尚能勉强接受，但对于一型糖尿病患者而言，则带来较大困扰。

为解决上述困扰，新型动态血糖仪CGM（Continuous Glucose Monitoring System，持续血糖监测系统）应运而生。CGM血糖仪在体验上很大程度解决了BGM血糖仪的两个问题，它通过皮下植入传感器的方式，小巧舒适，可以连续7~14天监测血糖变动水平，常见产品形态如下图。

应用于CGM动态血糖仪的思瑞浦产品

血糖测定的原理是通过提取血液中的葡萄糖，与试纸中的葡萄糖氧化酶反应产生的电流来测量血糖，产品多由单节纽扣电池供电，需要持续工作至少两周，所以对内置芯片的低功耗要求很高。

超低功耗运算放大器

CGM动态血糖仪的芯片方案分为集成AFE和分立两种，分立方案需要一颗运放，用于I/V转换放大和施加激励电源（让酶化反应后的电子流动产生电流），酶化反应电流大小一般在几纳安到几十纳安左右，所以需要运放具有较低的偏置电流Ibias，后面搭配MΩ级别的I/V转换电阻。考虑到电池的寿命，对功耗的要求非常高，另外受限于产品的小体积，封装越小越好，根据不同电极方案的需求运放一般需要2~4通道。



根据不同的可识别分辨率要求，分别推荐思瑞浦的超低功耗芯片TPA5512和TP2112，二者均支持轨到轨的输入和输出。TPA5512的功耗仅有650nA，失调电压低至30uV max，温漂系数更是达到0.025uV/℃，偏置电流Ibias也只有20pA，这一系列参数非常适合高精度的CGM应用。供电范围最低支持1.7V，可以满足1.8V电池直接供电的需求。值得一提的是，TPA5512还支持多种封装形式（SOIC-8、MSOP-8和DFNX2-8），其中DFN小封装非常适合对体积有要求的应用场景。如果对Vos的要求不高（比如通过软件校准），也可以考虑TP2112，功耗仅有500nA，Ibias更是低至1pA，封装包括SOIC-8和MSOP-8，具有非常高的性价比。



TPA5512主要参数

  • 供电范围：1.7V~3.6V

  • 通道数量：2-ch

  • 静态功耗：650nA typical

  • 失调电压Vos：30μV max

  • Vos温漂：0.025μV/℃

  • 偏置电流Ibias：20pA typical

  • 带宽 & 压摆率：9kHz & 3mV/μs

  • 噪声指标：354nV/√Hz @100Hz

  • 封装形式：SOIC-8、MSOP-8、DFN2X2-8 



TP211x主要参数

  • 供电范围：1.8V~5.5V

  • 静态功耗：500nA typical

  • 失调电压Vos：1.5mV max

  • Vos温漂：0.4μV/℃

  • 偏置电流Ibias：1pA typical

  • 带宽 & 压摆率：10kHz & 6mV/μs

  • 封装形式：SOIC-8、MSOP-8

超低功耗升压芯片Boost

随着电池在使用过程中不断的消耗电量，输出的电压会变得越来越低，这时候就需要一颗升压（Boost）芯片来实现稳定的电压输出并延长电池的使用时间；另外市面上还推出了低至1.5V的电池，更需要Boost抬高电压以供MCU使用。



思瑞浦超低功耗Boost芯片TPQ05100是一颗适用于低压系统的同步型升压转换器，输入电压0.9V~5.5V，可支持更低的输入电压，输出电压2.5V~5.5V可调，特有的小封装QFN2X2-6和WLCSP（0.8mmX1.2mm）非常适合对体积有要求的应用。



由于CGM在绝大多数时间都处于休眠状态，只有在固定频率的瞬间开启工作，这也意味着电池供电的负载是PWM脉冲形式而不是常开型，参考如下示意图：



可以看到在几乎超过99%时间芯片都处于休眠状态（静态电流越低，电池使用寿命越长），这时负载仅有μA级，对供电芯片的静态电流要求很高，随后在不到1%的时间负载瞬间冲到mA级。不过这个高电流脉冲往往会伴随着更高的浪涌电流尖峰，这对电池容量和寿命都有很大影响，TPQ05100内部有输入电流限制回路，可有效减小脉冲期间的浪涌电流，提高电池的寿命。 虽然脉冲时间只有ms级，这其中也包含脉冲的建立时间和采样时间，如果可以缩短建立时间，相当于减小了整个脉冲的持续时间，也会大大提高电池的使用寿命，TPQ05100具有非常快速的瞬态响应，可以有效缩短脉冲建立时间，从而实现更快的采样，更低的电流消耗。



TPQ05100主要参数

  • 供电范围：0.9V~5.5V

  • 输出范围：2.5V~5.5V（可提供固定输出电压版本）

  • 输出电流：600mA max

  • 静态电流：260nA typical

  • 封装类型：WLCSP-6、DFN2X2-6 


超低功耗线性稳压器LDO

电池的电压输出波动会比较大，如果电池直接给运放供电，会对运放的输出精度造成影响，推荐使用思瑞浦超低功耗LDO--TPL710。该款低压LDO具有非常低的静态电流，当负载动态变化时能够做到快速响应，外围稳定仅需2.2μF的陶瓷电容，支持限流和过热保护，可极大提高产品可靠性，支持EN控制，可以输出1.0V~3.6V之间的固定电压，有多种封装可以选择，包括SOT23-3、SOT23-5，还有适合小体积需求的DFN1X1-4封装。



TPL710Fxx主要参数

  • 供电范围：2.4V~6.0V

  • 输出电流：200mA max

  • 输出精度：1% typical

  • 静态电流：1.4μA typical

  • Dropout Voltage：170mV@200mA

  • PSRR：54dB@1kHz 



由于糖尿病患者数量的逐年增加，佩戴舒适且可以持续监控血糖水平的CGM也越来越受到欢迎，其独特的医疗属性，要求测量精确性和质量可靠性缺一不可。思瑞浦在信号链和电源领域深耕多年，产品性能领先，质量管控严格，拥有完善的交付体系，与国内医疗健康领域重要客户均有合作，是您值得信赖的合作伙伴！


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