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无线便携医疗应用的蓝海市场,需要用新型电源设计解锁

时间:2019-01-23 作者:ADI 阅读:
试想一下这样一个世界:你的手环检测到你的脉搏异常,并帮你预约了医生;项链上的传感器检测你的体温出现异常变化,随即发送消息到你的手机;床上的传感器能够感知你是否有个好的睡眠;衣服上的传感器能感知你的心脏是否正常工作;马桶上的传感器能感知你是否患上了糖尿病。你病愈出院后,许多这样结合了 RF 发送器便携式电子监护系统,能够把从你身上收集的所有数据直接发回医院内的监控系统,供医生日后审查和分析之用……

试想一下这样一个世界:你的手环检测到你的脉搏异常,并帮你预约了医生;项链上的传感器检测你的体温出现异常变化,随即发送消息到你的手机;床上的传感器能够感知你是否有个好的睡眠;衣服上的传感器能感知你的心脏是否正常工作;马桶上的传感器能感知你是否患上了糖尿病。你病愈出院后,许多这样结合了 RF 发送器便携式电子监护系统,能够把从你身上收集的所有数据直接发回医院内的监控系统,供医生日后审查和分析之用……

事实上,这样无处不在的健康监测正在走入现实。ADI公司Power by Linear部门的产品市场总监Tony Armstrong长期跟踪无线便携医疗应用,对此有深度的观察。他认为与许多其他的应用一样,是低功率高精度组件促进实现了便携式和无线医疗仪器的快速成长。但他同时指出,和很多其他应用不同的是,此类医疗产品通常对于可靠性、运行时间和坚固性有着高得多的标准,这个负担大部分落在电源系统及其组件的身上。如何让无线便携医疗更快、更广泛获得普及应用,他认为新型电源设计非常重要。

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解决好三个设计要点,勿让电源系统成便携式的“绊脚石”

便携式医疗设备的兴起是板上钉钉,但是问题也随之而来,Tony Armstrong认为此类便携式医疗仪器必须具备几个条件:低价格、低功率、高精度、可靠性、坚固性和运行时间。而这些负担大部分落在电源系统及其组件的身上,所以这就要求电源管理架构拥有坚固、灵活、紧凑和高效的特点。为此,电源设计中需要注意以下方面。

更长待机连续供电,因此项关键的要求就是实现低静态电流以延长电池寿命。于是,自2010年以来,电源IC制造商一直在生产备用静态电流小于30μA的开关稳压器。事实上,我们近期推出的部分产品已经把这一数字降低到只有2.5μA。因此,这些产品已完全具备了在由电池提供备份电源的医疗系统中使用之条件。

许多功能丰富的患者监测医疗装置中电源轨数目有所增加,而工作电压则持续地下降。虽然如此,许多此类系统仍然需要 1.xV 至 8.xV 的宽广电压范围,用于为电机、低功率传感器、存储器、微控制器内核、I/O 和逻辑电路供电。

传统上,这些电压轨一直是由降压型开关稳压器或低压差稳压器提供。然而,对于那些还在系统中纳入了一个备份电池以应对主电源故障情况的配置,此类 IC 并未进行相应的优化。于是,当采用降压-升压型转换器 (其能提升电压或降低电压) 时,它将使电池的全工作范围能得到利用。这增加了操作裕量,并延长了电池运行时间,因为更多的电池寿命是可用的,尤其当它接近其放电曲线的较低端时。

电源的防干扰设计很重要。尽管开关稳压器产生的噪声高于线性稳压器,但其效率指标则比后者优越得多。已经证实:在许多敏感型应用中,只要开关电源以可预知的方式运行,那么噪声和 EMI水平是可控的。如果开关稳压器在正常模式中以恒定频率执行开关操作,而且开关脉冲边沿是干净和可预知的,并没有过冲或高频振铃,则可实现EMI的最小化。小封装尺寸和高工作频率能提供小巧紧凑的布局,从而最大限度地降低 EMI 辐射。除此之外,假如稳压器可与低ESR陶瓷电容器配合使用,那么就能尽量地减少输入和输出电压纹波,而这些纹波是系统中的额外噪声源。

解决DC/DC转换器设计的六大关切

相应的,在可能配有一个主电池的便携式医疗设备中使用DC/DC转换器解决方案时,需要设计中满足以下六大特性:

1.         一个具有宽输入电压范围的降压-升压型 DC/DC 架构,可以在采用多种电池供电型电源及其相关电压范围时调节 VOUT

2.         能在工作模式和停机模式中均提供超低静态电流以延长电池运行时间

3.         能够有效地为系统电压轨供电

4.         电流限制功能以用于减小浪涌电流,从而保护电池

5.         解决方案占板面积小、重量轻、外形扁平

6.         可提供先进封装以改善热性能和空间效率

ADI推出的一款高集成度、高性能,效率高达 95%的电源LTC3119就已完全具备了上述在由电池提供备份电源的医疗系统中的使用条件。

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LTC3119是一款同步电流模式单片降压-升压型转换器,在降压模式中,可从多种输入源提供高达 5A 的连续输出电流,输入源包括单节或多节电池、未稳压交流适配器、以及太阳能电池板和超级电容器。一旦启动,该器件 2.5V 至 18V 的输入电压范围就可扩展至 250mV。输入高于、低于或等于输出时,输出电压都是稳定的,且输出电压在 0.8V 至 18V 范围内是可编程的。用户可选的突发模式 (Burst Mode®) 操作将静态电流降至仅为 31μA,从而提高了轻负载效率,同时延长了电池运行时间。

LTC3119 采用的专有 4 开关 PWM 降压-升压型拓扑在所有工作模式时均提供低噪声、无抖动切换,因而非常适合对电源噪声敏感的 RF 应用和精确的模拟应用。另外,该器件还包含可编程最大功率点控制 (MPPC) 功能,以确保从光伏电池等具较高输出阻抗的电源提供最大功率。

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LTC3119 3.3V、1.5MHz 宽输入稳压器配置电路

LTC3119 包含4个内部低 RDSON N 沟道 MOSFET,提供高达95%的效率。突发模式操作可停用,以提供低噪声连续切换。外部频率编程或采用内部PLL实现同步使得可以在很宽的 400kHz 至 2MHz 开关频率范围内运行,这就允许在转换效率和解决方案尺寸之间做出权衡。其他特点包括短路保护、热过载保护、低于3μA的停机电流和一个电源良好指示器。该器件采用纤巧的外部组件,工作电压范围很宽,拥有紧凑的封装,静态电流也很低,因此非常适合RF电源、大电流脉冲负载应用、系统备份电源、以及甚至连接12V转换系统的铅酸电池。

很多便携式医疗系统都需要用多个输入源供电,包括单节或多节电池配置、交流适配器和超级电容器组。

本文小结

在不断增强的健康意识推动下,人们开始关注测量生命体征参数以及追踪这些参数的日常变化趋势,因此便携式医疗设备系统必定是大势所趋。20年前,我们想象不到手机能够成为提供各种各样服务的随身物品,但是如今的我们能够预测未来,便携式医疗设备系统一定会充满我们的生活日常,如影随行地监测我们的健康状态。从ADI提供的低功耗、诊断级性能、高集成度即小体积、完整的系统级医疗解决方案及专业技术服务等角度来看,这一天不会太远了。

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