談無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀表設(shè)計(jì)中的電源IC解決方案

在患者護(hù)理情形中醫(yī)療產(chǎn)品通常對(duì)于可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性有著高得多的標(biāo)準(zhǔn)，不僅必須確保它們能夠依靠多種電源實(shí)現(xiàn)無(wú)縫運(yùn)行，并在對(duì)從患者身上收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)倪^(guò)程中提供高可靠性。新型電源 IC 讓無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀表受益。

背景

與許多其他的應(yīng)用一樣，低功率高精度組件實(shí)現(xiàn)了便攜式和無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀器的快速成長(zhǎng)。不過(guò)，和很多其他應(yīng)用不同的是，此類(lèi)醫(yī)療產(chǎn)品通常對(duì)于可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性有著高得多的標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)負(fù)擔(dān)大部分落在電源系統(tǒng)及其組件的身上。醫(yī)療產(chǎn)品必須正確地操作，并在多種電源 (例如：交流電源插座、備份電池、甚至是收集的環(huán)境能量源) 之間無(wú)縫地切換。此外，還必須竭盡全力地提供針對(duì)各種不同故障情況的保護(hù)及耐受能力，盡量地延長(zhǎng)依靠電池供電時(shí)的工作時(shí)間，并確保每當(dāng)接入了某種有效電源時(shí)正常的系統(tǒng)操作是可靠的。

患者護(hù)理，推動(dòng)便攜式和無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀表成長(zhǎng)的關(guān)鍵因素

目前，推動(dòng)便攜式和無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀表成長(zhǎng)的主要趨勢(shì)之一是患者護(hù)理。具體來(lái)說(shuō)，這就是在病患自己的家中越來(lái)越多地使用遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。這一發(fā)展趨勢(shì)的起因從本質(zhì)上說(shuō)完全是出于經(jīng)濟(jì)的考慮，讓患者住在醫(yī)院里觀(guān)察治療所需承擔(dān)的費(fèi)用簡(jiǎn)直讓人望而卻步。因此，許多這樣的便攜式電子監(jiān)護(hù)系統(tǒng)都必須結(jié)合 RF 發(fā)送器，以便能夠把從患者身上收集的任何數(shù)據(jù)直接發(fā)回醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)，以供主管醫(yī)師日后復(fù)審和分析之用。

電源管理架構(gòu)的四個(gè)要求

面對(duì)上述情形，合理的假設(shè)是：為患者提供合適家用醫(yī)療儀表的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于讓患者留院觀(guān)察所需支付的費(fèi)用。然而，頭等重要的一點(diǎn)是：交由患者使用的設(shè)備必須具有可靠和簡(jiǎn)單易用的特性。因此，這些產(chǎn)品的制造商和設(shè)計(jì)師必須確保它們能夠依靠多種電源實(shí)現(xiàn)無(wú)縫運(yùn)行，并在對(duì)從患者身上收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)倪^(guò)程中提供高可靠性。這就要求設(shè)計(jì)師確保電源管理架構(gòu)擁有堅(jiān)固、靈活、緊湊和高效的特點(diǎn)。

電源 IC 解決方案

醫(yī)療電子系統(tǒng)中的許多應(yīng)用即使在交流電源發(fā)生中斷時(shí)也需要連續(xù)供電；因此一項(xiàng)關(guān)鍵的要求就是實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流以延長(zhǎng)電池壽命。于是，自 2010 年以來(lái)，電源 IC 制造商一直在生產(chǎn)備用靜態(tài)電流小于 30μA 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。事實(shí)上，我們近期推出的部分產(chǎn)品已經(jīng)把這一數(shù)字降低到只有 2.5μA。因此，這些產(chǎn)品已完全具備了在由電池提供備份電源的醫(yī)療系統(tǒng)中使用之條件。

盡管開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲高于線(xiàn)性穩(wěn)壓器，但其效率指標(biāo)則比后者優(yōu)越得多。已經(jīng)證實(shí)：在許多敏感型應(yīng)用中，只要開(kāi)關(guān)電源以可預(yù)知的方式運(yùn)行，那么噪聲和 EMI 水平是可控的。如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式中以恒定頻率執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作，而且開(kāi)關(guān)脈沖邊沿是干凈和可預(yù)知的，并沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴，則可實(shí)現(xiàn) EMI 的最小化。小封裝尺寸和高工作頻率能提供小巧緊湊的布局，從而最大限度地降低 EMI 輻射。除此之外，假如穩(wěn)壓器可與低 ESR 陶瓷電容器配合使用，那么就能盡量地減少輸入和輸出電壓紋波，而這些紋波是系統(tǒng)中的額外噪聲源。

許多功能豐富的患者監(jiān)測(cè)醫(yī)療裝置中電源軌數(shù)目有所增加，而工作電壓則持續(xù)地下降。雖然如此，許多此類(lèi)系統(tǒng)仍然需要 1.xV 至 8.xV 的寬廣電壓范圍，用于為電機(jī)、低功率傳感器、存儲(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。

傳統(tǒng)上，這些電壓軌一直是由降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器提供。然而，對(duì)于那些還在系統(tǒng)中納入了一個(gè)備份電池以應(yīng)對(duì)主電源故障情況的配置，此類(lèi) IC 并未進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。于是，當(dāng)采用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 (其能提升電壓或降低電壓) 時(shí)，它將使電池的全工作范圍能得到利用。這增加了操作裕量，并延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間，因?yàn)楦嗟碾姵貕勖强捎玫?，尤其?dāng)它接近其放電曲線(xiàn)的較低端時(shí)。

電源IC解決方案的特殊屬性

相應(yīng)地，在可能也配有一個(gè)主電池的便攜式醫(yī)療儀表中使用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案應(yīng)具有以下特性：

一種具有寬輸入電壓范圍的降壓-升壓型 DC/DC 架構(gòu)，以在采用多種電池供電型電源及其相關(guān)電壓范圍時(shí)調(diào)節(jié) VOUT

在工作模式和停機(jī)模式中均提供超低靜態(tài)電流以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間

能夠有效地為系統(tǒng)電壓軌供電

電流限制功能以用于減小浪涌電流，從而保護(hù)電池

解決方案占板面積小、重量輕、外形扁平

可提供先進(jìn)封裝以改善熱性能和空間效率

新型電源：LTC3119

可滿(mǎn)足上述要求的一款新型電源 IC 是—— LTC3119，它是一款同步電流模式單片降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，在降壓模式中，可從多種輸入源提供高達(dá) 5A 的連續(xù)輸出電流，輸入源包括單節(jié)或多節(jié)電池、未穩(wěn)壓交流適配器、以及太陽(yáng)能電池板和超級(jí)電容器。一旦啟動(dòng)，該器件 2.5V 至 18V 的輸入電壓范圍就可擴(kuò)展至 250mV。輸入高于、低于或等于輸出時(shí)，輸出電壓都是穩(wěn)定的，且輸出電壓在 0.8V 至 18V 范圍內(nèi)是可編程的。用戶(hù)可選的突發(fā)模式 (Burst Mode?) 操作將靜態(tài)電流降至僅為 31μA，從而提高了輕負(fù)載效率，同時(shí)延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間。

LTC3119 采用的專(zhuān)有 4 開(kāi)關(guān) PWM 降壓-升壓型拓?fù)湓谒泄ぷ髂Ｊ綍r(shí)均提供低噪聲、無(wú)抖動(dòng)切換，因而非常適合對(duì)電源噪聲敏感的 RF 應(yīng)用和精確的模擬應(yīng)用。另外，該器件還包含可編程最大功率點(diǎn)控制 (MPPC) 功能，以確保從光伏電池等具較高輸出阻抗的電源提供最大功率。參見(jiàn)圖 1 以了解該器件的簡(jiǎn)化原理圖。

圖 1：高集成度和高性能 LTC3119 的原理圖

LTC3119 包含 4 個(gè)內(nèi)部低 RDSON N 溝道 MOSFET，提供高達(dá) 95% 的效率。突發(fā)模式操作可停用，以提供低噪聲連續(xù)切換。外部頻率編程或采用內(nèi)部 PLL 實(shí)現(xiàn)同步使得可以在很寬的 400kHz 至 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，這就允許在轉(zhuǎn)換效率和解決方案尺寸之間做出權(quán)衡。其他特點(diǎn)包括短路保護(hù)、熱過(guò)載保護(hù)、低于 3μA 的停機(jī)電流和一個(gè)電源良好指示器。該器件采用纖巧的外部組件，工作電壓范圍很寬，擁有緊湊的封裝，靜態(tài)電流也很低，因此非常適合 RF 電源、大電流脈沖負(fù)載應(yīng)用、系統(tǒng)備份電源、以及甚至連接 12V 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的鉛酸電池。

很多便攜式醫(yī)療系統(tǒng)都需要用多個(gè)輸入源供電，包括單節(jié)或多節(jié)電池配置、交流適配器和超級(jí)電容器組。

結(jié)論

就設(shè)計(jì)眾多電池供電和 / 或由電池提供備份電源的醫(yī)療系統(tǒng)而言，已經(jīng)呈現(xiàn)出巨大的機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，在選擇合適的電源轉(zhuǎn)換解決方案以滿(mǎn)足關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)方面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨一些艱難的挑戰(zhàn)，這些設(shè)計(jì)目標(biāo)包括在不損害效率、運(yùn)行時(shí)間，并且可滿(mǎn)足輻射規(guī)范要求和解決方案尺寸的情況下，符合輸入至輸出電壓涵蓋限制、提供合適的功率水平和易設(shè)計(jì)性。

設(shè)計(jì)一個(gè)滿(mǎn)足系統(tǒng)目標(biāo)又不影響性能的解決方案是個(gè)艱巨的任務(wù)。幸運(yùn)的是，我們提供了越來(lái)越多的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器解決方案，這些解決方案由于能夠跨很寬的負(fù)載范圍高效率運(yùn)行，所以可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提供同類(lèi)最佳性能，并能在電池充電周期之間最大限度地延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。