試想一下這樣一個(gè)世界：你的手環(huán)檢測(cè)到你的脈搏異常,，并幫你預(yù)約了醫(yī)生,；項(xiàng)鏈上的傳感器檢測(cè)你的體溫出現(xiàn)異常變化,，隨即發(fā)送消息到你的手機(jī),；床上的傳感器能夠感知你是否有個(gè)好的睡眠,；衣服上的傳感器能感知你的心臟是否正常工作,；馬桶上的傳感器能感知你是否患上了糖尿病,。你病愈出院后,，許多這樣結(jié)合了 RF 發(fā)送器便攜式電子監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，能夠把從你身上收集的所有數(shù)據(jù)直接發(fā)回醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng),，供醫(yī)生日后審查和分析之用……
事實(shí)上,，這樣無處不在的健康監(jiān)測(cè)正在走入現(xiàn)實(shí)。ADI公司Power by Linear部門的產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Tony Armstrong長期跟蹤無線便攜醫(yī)療應(yīng)用,，對(duì)此有深度的觀察,。他認(rèn)為與許多其他的應(yīng)用一樣，是低功率高精度組件促進(jìn)實(shí)現(xiàn)了便攜式和無線醫(yī)療儀器的快速成長,。但他同時(shí)指出,，和很多其他應(yīng)用不同的是，此類醫(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。如何讓無線便攜醫(yī)療更快,、更廣泛獲得普及應(yīng)用,，他認(rèn)為新型電源設(shè)計(jì)非常重要。
解決好三個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn),，勿讓電源系統(tǒng)成便攜式的“絆腳石”
便攜式醫(yī)療設(shè)備的興起是板上釘釘,，但是問題也隨之而來，Tony Armstrong認(rèn)為此類便攜式醫(yī)療儀器必須具備幾個(gè)條件：低價(jià)格,、低功率,、高精度、可靠性,、堅(jiān)固性和運(yùn)行時(shí)間,。而這些負(fù)擔(dān)大部分落在電源系統(tǒng)及其組件的身上，所以這就要求電源管理架構(gòu)擁有堅(jiān)固,、靈活,、緊湊和高效的特點(diǎn)。為此,，電源設(shè)計(jì)中需要注意以下方面,。
更長待機(jī)連續(xù)供電，因此項(xiàng)關(guān)鍵的要求就是實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流以延長電池壽命,。于是,，自2010年以來，電源IC制造商一直在生產(chǎn)備用靜態(tài)電流小于30μA的開關(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,。
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 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,，并延長了電池運(yùn)行時(shí)間,，因?yàn)楦嗟碾姵貕勖强捎玫模绕洚?dāng)它接近其放電曲線的較低端時(shí),。
電源的防干擾設(shè)計(jì)很重要,。盡管開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲高于線性穩(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,。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式中以恒定頻率執(zhí)行開關(guān)操作,，而且開關(guān)脈沖邊沿是干凈和可預(yù)知的，并沒有過沖或高頻振鈴,，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。
解決DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的六大關(guān)切
相應(yīng)的,，在可能配有一個(gè)主電池的便攜式醫(yī)療設(shè)備中使用DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案時(shí),，需要設(shè)計(jì)中滿足以下六大特性：
1. 一個(gè)具有寬輸入電壓范圍的降壓-升壓型 DC/DC 架構(gòu),，可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
2. 能在工作模式和停機(jī)模式中均提供超低靜態(tài)電流以延長電池運(yùn)行時(shí)間
3. 能夠有效地為系統(tǒng)電壓軌供電
4. 電流限制功能以用于減小浪涌電流，從而保護(hù)電池
5. 解決方案占板面積小,、重量輕,、外形扁平
6. 可提供先進(jìn)封裝以改善熱性能和空間效率
ADI推出的一款高集成度、高性能,，效率高達(dá) 95%的電源LTC3119就已完全具備了上述在由電池提供備份電源的醫(yī)療系統(tǒng)中的使用條件,。
LTC3119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)延長了電池運(yùn)行時(shí)間,。
LTC3119 采用的專有 4 開關(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,。
LTC3119 3.3V、1.5MHz 寬輸入穩(wěn)壓器配置電路
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,。
本文小結(jié)
在不斷增強(qiáng)的健康意識(shí)推動(dòng)下,，人們開始關(guān)注測(cè)量生命體征參數(shù)以及追蹤這些參數(shù)的日常變化趨勢(shì)，因此便攜式醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)必定是大勢(shì)所趨,。20年前,，我們想象不到手機(jī)能夠成為提供各種各樣服務(wù)的隨身物品，但是如今的我們能夠預(yù)測(cè)未來,，便攜式醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)一定會(huì)充滿我們的生活日常,，如影隨行地監(jiān)測(cè)我們的健康狀態(tài)。從ADI提供的低功耗,、診斷級(jí)性能,、高集成度即小體積、完整的系統(tǒng)級(jí)醫(yī)療解決方案及專業(yè)技術(shù)服務(wù)等角度來看,，這一天不會(huì)太遠(yuǎn)了,。