便攜式醫(yī)療應(yīng)用的電源問題ADI公司給出解決方案

在將病人送往醫(yī)院就診之前，便攜式醫(yī)療保健設(shè)備可幫助醫(yī)療專業(yè)人士監(jiān)控病人生命體征、恢復(fù)心臟跳動、利用超聲檢查體內(nèi)狀況。就此，在醫(yī)院便攜式醫(yī)療設(shè)備越來越頻繁的出現(xiàn)在人們視線中。便攜式醫(yī)療的目的是給家庭提供易于使用、可互操作并具有診斷價值的醫(yī)療保健設(shè)備，以便將相關(guān)費(fèi)用納入醫(yī)療保險范圍。避免里醫(yī)院出診，降低了醫(yī)療成本。病人在家就可以通過使用便攜式醫(yī)療設(shè)備來監(jiān)控血壓、肺活量、血糖水平，以及記錄心臟事件。重要的是便攜式醫(yī)療設(shè)備都帶有USB或無線數(shù)據(jù)連接，可以更好的讓醫(yī)療專業(yè)人員在醫(yī)院和在家不間斷地監(jiān)控病人狀況。同時，Continua Alliance正在制定基于USB、Zigbee和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的互通協(xié)議，以來加速這些通信接口的使用。由于采用電池供電的便攜式醫(yī)療設(shè)備計算能力一般、尺寸偏大、運(yùn)算時間不長等不足，使得電源系統(tǒng)設(shè)計工作極具挑戰(zhàn)性。電源系統(tǒng)對電池大小、運(yùn)行時間、待機(jī)時間、物料（BOM）成本和可靠性均有影響。

便攜式醫(yī)療系統(tǒng)所涵蓋的應(yīng)用極其廣泛，包括血壓監(jiān)控、血糖儀、脈搏血氧儀和超聲應(yīng)用等。應(yīng)用要求的工作時間也不同，有的工作時間短，但是需要較長的待機(jī)時間，有的要求硬件長時間的工作。雖然終端應(yīng)用千差萬別，但大多數(shù)便攜式系統(tǒng)都一個核心功能：傳感器采集數(shù)據(jù)，微處理器（帶專用軟件）分析數(shù)據(jù)，存儲器存儲軟件和數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)連接用于訪問結(jié)果。圖1顯示了一個帶鍵盤和顯示器的典型手持式便攜系統(tǒng)。當(dāng)連接市電時，便攜式系統(tǒng)必須能夠發(fā)揮最大處理能力，同時不會產(chǎn)生過多熱量；當(dāng)保持便攜狀態(tài)時，電池使用時間必須最大化。電源系統(tǒng)因素，電池容量、電源系統(tǒng)效率和電源管理軟件等。都將影響電池的最長使用時間，即便攜式設(shè)備需要充電或更換電池之前工作的時間量。只有充分利用好所有因素降低電池的消耗，有效使用電池，才能使電池壽命達(dá)到最長。大多數(shù)高性能便攜式系統(tǒng)采用3.6V標(biāo)稱輸出的鋰離子充電電池供電。

圖1 典型手持醫(yī)療系統(tǒng)

便攜式系統(tǒng)包含優(yōu)化半導(dǎo)體工藝和工作電壓要求的多個集成電路。便攜式應(yīng)用需要使用降壓調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)IC采用比電池更低的工作電壓問題。當(dāng)今最常用的調(diào)節(jié)器是低壓差（LDO）和降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器，如圖2所示。LDO由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、分壓器和傳輸管（pass transistor）組成。低壓差調(diào)節(jié)器只需使用兩個外部電容就能用較高直流電壓產(chǎn)生較低直流電壓，十分簡便。但是，當(dāng)Vin遠(yuǎn)高于Vout時，未輸送到負(fù)載的功率會以熱量形式損失。LDO效率約為（Vo/Vin）×100%.LDO效率將變得低下。

圖2 LDO和降壓轉(zhuǎn)換器的功能框圖

LDO無法儲存大量未使用的能量，因此未輸送到負(fù)載的功率以熱量形式在LDO內(nèi)部耗散。例如，連接到3.6V電池的2.6V LDO的效率為72%.此外，當(dāng)要求LDO最大程度地省電時，必須檢查其靜態(tài)電流和使能功能。其中ADP150就是一款出色的低靜態(tài)電流LDO.當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作模式與休眠模式之間的空閑模式時，低靜態(tài)電流（Iq）可以減少系統(tǒng)的功耗，從而提高系統(tǒng)的自主性。使能輸入引腳允許LDO關(guān)斷，使休眠模式下的功耗不到1μA,從而延長電池使用時間。

當(dāng)電源電壓比工作電壓高得多時，通過開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器能獲得更好的效率，在將一個直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個直流電壓時，它的能量能暫時存儲在電感磁場，然后釋放給負(fù)載。便攜式開關(guān)調(diào)節(jié)器以500kHz~3MHz的頻率工作。DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。內(nèi)置開關(guān)元件的同步降壓型調(diào)節(jié)器用于輸出電壓遠(yuǎn)低于輸入電壓的場合，在便攜式系統(tǒng)中最為常用。用降壓調(diào)節(jié)器替換LDO可以提高系統(tǒng)效率。例如，當(dāng)利用LDO將系統(tǒng)電壓從3.6V降至1.2V,為負(fù)載電流為300 mA的微處理器內(nèi)核供電時，LDO效率約為1.2V/3.6V×100%=33%,67%的輸入功率以熱量形式損失。為了提高效率并降低工作溫度，應(yīng)當(dāng)用ADP2108等降壓轉(zhuǎn)換器取代LDO.降壓轉(zhuǎn)換器能將能量儲存在電感的磁場中，因而效率更高。用過使用ADIsimPowerTM設(shè)計工程師會發(fā)現(xiàn)，在相同條件下ADP2108的效率為80%,比LDO提高47%.然而ADP2108尺寸較小，僅使用兩個去耦電容和一個1μH芯片電感，幾乎可以直接取代LDO.，低靜態(tài)電流、使能功能以及負(fù)載電流較小情況下的省電模式，都是選擇變壓轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)。

延長電池使用時間，除了優(yōu)化便攜式系統(tǒng)硬件效率以外，還必須優(yōu)化電源管理軟件。運(yùn)行復(fù)雜的專用軟件需要使用高耗電量的高速微處理器。降低處理器速度可以降低功耗，延長電池運(yùn)行時間，但軟件性能會下降。系統(tǒng)架構(gòu)師可以通過選擇最適合應(yīng)用的處理器速度來提高系統(tǒng)效率。便攜式系統(tǒng)還可以通過關(guān)斷子系統(tǒng)來達(dá)到省電的目的，如微處理器、顯示器背光、數(shù)據(jù)端口和處于測量間隙的傳感器，使用調(diào)節(jié)器的使能輸入或ADP190/ADP195等負(fù)載開關(guān)來隔離電池，如圖1所示。

設(shè)計便攜式電源系統(tǒng)時，并不存在萬能的解決方案。延長電池使用時間的方法有許多種，有的方法可能優(yōu)于其他方法。本文所述的技術(shù)同時適用于便攜式和市電供電的醫(yī)療設(shè)備，能夠提高系統(tǒng)效率，降低內(nèi)部溫度和運(yùn)行成本。