在醫(yī)師辦公室或醫(yī)院內(nèi)外診斷健康問題的便攜式醫(yī)療設(shè)備迅速增多,。在將病人送往醫(yī)院之前，便攜式醫(yī)療保健設(shè)備可幫助醫(yī)療專業(yè)人士監(jiān)控生命體征,、恢復(fù)心臟跳動(dòng),、利用超聲檢查體內(nèi)狀況。便攜式醫(yī)療的目標(biāo)是提供易于使用、可互操作并具有診斷價(jià)值的家庭醫(yī)療保健設(shè)備，以便將相關(guān)費(fèi)用納入醫(yī)療保險(xiǎn)范圍。這樣就避免了醫(yī)院出診,，降低了醫(yī)療成本。病人在家也可以使用便攜式醫(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,。許多此類便攜式醫(yī)療設(shè)備都帶有USB或無線數(shù)據(jù)連接,，允許醫(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(shí),，Continua Alliance正在制定基于USB,、Zigbee和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的互通協(xié)議，這將加速上述通信接口的采用,。對(duì)于采用電池供電的便攜式醫(yī)療設(shè)備,，提高計(jì)算能力、減小尺寸和延長運(yùn)行時(shí)間的要求使得電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性,。電源系統(tǒng)對(duì)電池大小,、運(yùn)行時(shí)間、待機(jī)時(shí)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。一些應(yīng)用要求硬件長時(shí)間工作,，而另一些應(yīng)用則要求較短的工作時(shí)間和較長的待機(jī)時(shí)間。雖然終端應(yīng)用千差萬別,，但大多數(shù)便攜式系統(tǒng)都可以簡化為一系列核心功能：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(chǔ)器存儲(chǔ)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(gè)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(shí),，便攜式系統(tǒng)必須能夠發(fā)揮最大處理能力,，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過多熱量,；當(dāng)保持便攜狀態(tài)時(shí)，電池使用時(shí)間必須最大化,。電池最長使用時(shí)間,，即便攜式設(shè)備在需要充電或更換電池前所能工作的時(shí)間，取決于電源系統(tǒng)因素,，如電池容量,、電源系統(tǒng)效率和電源管理軟件。只有充分利用所有這些因素降低電池消耗,，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)包含多個(gè)集成電路,，各集成電路都有自己的優(yōu)化半導(dǎo)體工藝和工作電壓要求,。便攜式應(yīng)用的IC采用比電池更低的工作電壓，因此需要使用降壓調(diào)節(jié)器,。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(gè)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,。不過，當(dāng)Vin遠(yuǎn)高于Vout時(shí),，LDO效率低下,，這是因?yàn)槲摧斔偷截?fù)載的功率會(huì)以熱量形式損失。LDO效率約為(Vo/Vin)×100%,。

圖2 LDO和降壓轉(zhuǎn)換器的功能框圖

LDO無法儲(chǔ)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(shí),，必須檢查其靜態(tài)電流和使能功能,。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(shí)，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(shí)間,。例如,，ADP150就是一款出色的低靜態(tài)電流LDO。

當(dāng)電源電壓比工作電壓高得多時(shí),，開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器是更好的選擇,，它能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率，因?yàn)樵趯⒁粋€(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)直流電壓時(shí),，它能夠?qū)⒛芰颗R時(shí)儲(chǔ)存在電感的磁場(chǎng)中,，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(chǎng)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(shí),，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(chǔ)存在電感的磁場(chǎng)中,，因而效率更高,。使用ADIsimPowerTM可知，在相同條件下ADP2108的效率為80%,，比LDO提高47%,。設(shè)計(jì)工程師會(huì)發(fā)現(xiàn)，ADP2108尺寸較小,，僅使用兩個(gè)去耦電容和一個(gè)1μH芯片電感,，幾乎可以直接取代LDO。選擇降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)需要考慮的其他省電特性包括：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,。

為使電池使用時(shí)間達(dá)到最長，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)雜的專用軟件對(duì)計(jì)算能力提出了更高要求，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(shí)間,，但軟件性能會(huì)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)的另一種省電方法是關(guān)斷不用的子系統(tǒng)，如微處理器,、顯示器背光,、數(shù)據(jù)端口和處于測(cè)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(jì)便攜式電源系統(tǒng)時(shí)，并不存在萬用的解決方案,。延長電池使用時(shí)間的方法有許多種,，某種方法可能優(yōu)于其他方法。本文所述的技術(shù)同時(shí)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。