3. 低功耗设计指标体系与需求分解
在医疗可穿戴设备中，“低功耗”从来不是一个单一数字，而是一组彼此约束、需要分解到部件与工作模式的指标体系。若只盯住平均电流，很容易在峰值电流上翻车——例如 ECG 贴片在射频发射瞬间拉出 80 mA，若电池或稳压器无法支撑，系统会复位，平均功耗再低也没有意义。因此，本章的核心任务是把“续航 7 天”这类产品需求，翻译成可测量、可分配、可验证的电气指标。
一、四个基础指标：平均功耗、峰值功耗、占空比与能量预算
平均功耗描述长时间尺度上的能量消耗速率，通常用 μA 或 mW 表示，是电池寿命估算的直接输入。峰值功耗描述瞬态最大电流或功率，决定电源路径、去耦电容、电池内阻和稳压器的选型边界。占空比是某功能处于活动状态的时间比例，它把峰值与平均连接起来：平均电流 ≈ Σ(各状态电流 × 该状态占空比)。能量预算则把电流、电压与时间统一成能量（mAh 或 mJ），便于跨电压域比较和分配。
以一款心率+血氧手环为例，假设电池 90 mAh、标称 3.7 V，目标续航 7 天（168 h），则允许的平均电流为 90 mAh ÷ 168 h ≈ 0.536 mA。这个 536 μA 就是整机平均电流的“天花板”，后续所有子系统的预算都必须从它切分。
二、从产品需求到部件预算的分解方法
需求分解的实质是“先定总量，再按工作模式切分”。建议按以下顺序推进：
- 确定电池容量、可用放电区间（如 3.7 V→3.3 V，考虑 DC-DC 效率）和目标续航，算出系统平均电流上限。
- 列出所有功耗域：MCU 运行/睡眠、PPG 模拟前端、LED 驱动、加速度计、BLE 射频、显示屏、传感器偏置等。
- 为每个域定义工作状态与占空比，例如 PPG 每 10 s 采样 2 s，占空比 20%；BLE 每 60 s 连接一次，每次 8 ms。
- 用“电流 × 占空比”求各域平均电流，求和后与上限比较，超出则压缩占空比、降低采样率或更换器件。
- 对峰值电流做叠加校验，确认电源网络在最坏情况下仍能维持电压稳定。
下面这张图把上述分解关系画成一张“指标分解与预算分配图”，左侧是产品级需求，中间是四个基础指标，右侧是各功耗域的预算切分，底部给出峰值校验回路。
三、电池寿命估算：从平均电流到实际天数
电池寿命估算不能只用“容量 ÷ 平均电流”。工程上更可靠的做法是引入有效容量系数：
续航(h) = 电池容量(mAh) × 有效容量系数 ÷ 系统平均电流(mA)
有效容量系数 ≈ DC-DC效率 × 放电深度 × 温度修正 × 老化修正仍以上述手环为例：90 mAh 电池，DC-DC 效率 88%，允许放电深度 90%，25 ℃ 温度修正 0.95，循环老化修正 0.92，则有效容量 ≈ 90 × 0.88 × 0.90 × 0.95 × 0.92 ≈ 62.3 mAh。若实测平均电流为 0.50 mA，则续航 ≈ 62.3 ÷ 0.50 ≈ 124.6 h ≈ 5.2 天，低于 7 天目标。此时需要回到预算表，优先压缩 PPG 占空比或降低 LED 驱动电流，而不是盲目换更大电池。
四、医疗合规约束对指标的硬性影响
医疗合规不是“附加项”，它会直接改写指标边界。以 IEC 60601-1 和 IEC 60601-1-2 为例：
- 患者漏电流限制：与患者接触的导联或电极，漏电流通常要求 ≤ 10 μA（正常状态）。这限制了偏置电路和隔离电源的静态电流，不能为了省电而随意降低隔离等级。
- 电磁兼容（EMC）：为通过辐射发射和抗扰度测试，可能需要增加滤波、屏蔽或降低射频功率，这会改变 BLE 的峰值电流和占空比预算。
- 数据完整性：ECG、SpO₂ 等参数不允许因省电而丢失关键采样点，因此采样率和前端增益的降低必须经过临床验证，不能仅由功耗决定。
- 报警与安全状态：设备在低电量时仍需保证报警功能可用，这意味着电池寿命估算必须保留安全余量，不能把电量用到 0%。
因此，需求分解时应把合规约束作为“不可压缩预算”单独列出。例如，患者漏电流限制可能要求 AFE 偏置电流不低于 8 μA，那么这 8 μA 就不能被其他模块挤占。最终的能量预算表应包含三列：目标值、合规下限、可压缩余量。
五、可执行的预算表模板
下面给出一份可直接填写的功耗预算表结构，字段均围绕医疗可穿戴设备的实际分解需求设计：
| 功耗域 | 工作状态 | 电流(mA) | 占空比 | 平均电流(μA) | 合规下限(μA) | 可压缩余量(μA) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| MCU | 睡眠/唤醒 | 0.005 / 6 | 0.5% | 45 | 20 | 25 |
| PPG AFE+LED | 采样 2 s/10 s | 1.05 | 20% | 210 | 150 | 60 |
| BLE | 连接事件 | 8 | 0.5% | 120 | 80 | 40 |
| 加速度计 | 低功耗计步 | 0.035 | 100% | 35 | 30 | 5 |
| 电源管理 | 静态 | 0.060 | 100% | 60 | 50 | 10 |
| 余量 | 温度/老化 | — | — | 66 | 40 | 26 |
填写时注意：平均电流列应满足 Σ ≤ 系统上限；合规下限列来自漏电流、EMC、数据完整性等硬约束；可压缩余量列是后续优化的操作空间。若某域可压缩余量为负，说明该域已经触碰合规底线，必须从其他域或产品需求侧重新协商。
总结来说，低功耗指标体系的价值在于把模糊的“续航要长”变成可分配、可测量、可验证的工程语言。平均功耗定总量，峰值功耗定边界，占空比定节奏，能量预算定分配，电池寿命估算定预期，医疗合规约束定底线。六者共同构成需求分解的闭环，任何一环缺失，都会让后续的器件选型和固件优化失去判断依据。