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针对医疗设备高效电源管理的高性能设计

2019-05-14来源: EEWORLD作者: 贸泽电子Mark Patrick关键字:电源管理

便携式医疗设备硬件设计中相互矛盾的要求对工程团队来说是一个永远的挑战。这些始终开启的设备必须能够以最高的效率管理其电池寿命,同时仍需要保持适合于人体的尺寸,以确保患者的舒适度,尤其是那些需要一天24小时佩戴的设备。系统需要提供更高水平的性能,并具有坚固的结构,但同时也应该具有高性价比。设计中采用的电源管理集成电路(PMIC)需要利用超低功耗架构,以优化健身跟踪和医疗可穿戴应用中的测量灵敏度,从而实现高信噪比(SNR)。

 

无论从普通消费者,还是从医疗保健角度看,移动网络的日益普及已经成为可穿戴技术发展中最重要的考虑因素之一。可穿戴设备最初设计用于运动和健康,但如今在医疗市场中已经越来越受欢迎。新一代医疗可穿戴设备已经集成了一系列微机电系统(MEMS)传感器,如加速度计、陀螺仪和心率监测器等。随着时间的推移,其他传感器已开始集成到MEMS,可用于确定脉搏变化和皮肤电导等参数,但这些传感器具有本质上的SNR问题。为了顺应医疗行业的发展动态,设计人员需要寻找新的节能解决方案,并将这些解决方案与更好的降噪技术结合起来。

 

降低光测量中的噪声

各种生物因素都会影响光检测的准确性,设计工程师一直试图在广泛的应用领域提供更好的SNR来实现最高灵敏度。低静态电压稳压器IC通常需要使用可降低SNR的元件,例如可以导致高幅波纹、低频波纹和较长的建立时间(settling time)。

 

医疗领域的一个重要测量参数当然是心率。除了简单的每分钟心跳次数外,还可以收集关于身体运动对于心跳影响等大量额外信息,以便对心脏进行监测。一种称为光电容积脉搏波信号(PPG)的光学测量方法通过皮下组织中动脉和小动脉的膨胀来测量血容量的变化,它还可用于确定血液中的氧饱和度(SPO2)。在医疗领域,该技术依靠佩戴在手指上的夹子实现。PPG通过皮肤(来自放置在一侧的LED)发射光束,并测量手指内光的透射变化(通过放置在装置另一侧的光电二极管)。要确保连续可靠的心率测量,设计人员面临几个问题。其操作的有效性取决于若干因素,例如环境光的影响,LED和光电二极管之间的干扰,可穿戴设备在皮肤上的移动等等。ADI公司的ADPD174(如图1所示)是专门针对此类应用的光学子系统。该模块集成了高效光度计前端,三个LED和一个高性能光电二极管,以帮助克服上面提到的问题。为了获得更高的可靠性和准确度,以手镯形式安装的PPG设备可以进一步减少环境光影响,其中包括采用了窄带光学滤波器、光信号调制、电信号自动增益控制和滤波、以及低纹波电源等功能。

 

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图1:ADI公司ADP174的功能框图。

 

优化系统的能效与改进光学测量机制两者之间貌似是一对矛盾。使用新颖的开关型配置(取代标准LDO稳压器)可提高效率,同时采用各种电感器来提供正确的电源总线。电压调节元件必须具备低的高频波纹,因此它才不会直接干扰心率测量。LED由于需要在与锂离子电池不同的电压范围内工作,采用新的降压-升压转换器技术可以节省电路板空间,并降低功耗。单电感器多输出(SIMO)降压-升压架构意味着在输出特定电压时所需的电感器和IC数量要少得多。

 

通过下一代PMIC实现高效的电源管理


随着个人和远程监控设备的日益成功,减小尺寸、精确测量参数和延长电池寿命都变得至关重要。可穿戴设备的能效优化策略必须牢固地依靠基于停机时间(downtime)的管理(即只要有可能,设备必须处于待机模式)。可穿戴设备的PMIC接受非常低的输入电压,并且采用高能量密度电池的架构。

 

Maxim Integrated的MAX20345 PMIC允许系统设计人员最大限度地降低那些需要每天24小时持续运行设备的功耗,它集成的降压-升压转换器能够为需要更高电压的众多系统外围器件提供便捷的供电。该转换器具有最小化的输出噪声,因而对敏感的医疗监测系统测量的影响也最小(见图2)。

 

德州仪器(TI)开发的TPS6572x系列PMIC成员均集成了电池充电器和高效降压转换器,它们允许使用相对较小的电感器和电容器,因而能够实现尺寸更小的解决方案。TPS65720可提供高达200mA的输出电流,而TPS657201、TPS657202和TPS65721均能够提供高达400mA的电流。每个TPS6572x PMIC还集成有一个200mA LDO,其输入电压范围为1.8V~5.6V,使它们可以通过降压转换器的输出或直接通过系统电压供电(参见图3)。

 

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图2:Maxim MAX20345的功能框图。

 

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图3:德州仪器的TPS6572x。

 

Active-Semiconductor的 ACT81460可提供完整的电源管理解决方案,具有超低待机电流,可延长电池寿命。其高效的降压-升压转换器可为光学心率传感器等各种外设供电,可利用高达2.7V的全部电池容量。每个稳压器和电池充电器的低静态电流可确保在轻负载条件下(即使在几乎零负载电流下)具有极高效率,这种情况通常在可穿戴医疗应用中出现。

 

先进的便携式技术可以监控身体活动,收集数据并提供实时响应,这将成为个性化护理的未来,可为患者提供更大的便利,同时能提高医护人员的工作效率。身体穿戴式健康监测设备必须具有高精度,高可靠性,且易于管理,使用寿命长,通过采用能够同时满足功率预算和SNR需求的PMIC,可以构建所需的监控设备,并可进一步使社会受益。


关键字:电源管理

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