便攜式醫(yī)療電子設備的電源管理

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)療保健設備可幫助醫(yī)療專業(yè)人士監(jiān)控生命體征、恢復心臟跳動、利用超聲檢查體內(nèi)狀況。便攜式醫(yī)療的目標是提供易于使用、可互操作并具有診斷價值的家庭醫(yī)療保健設備，以便將相關費用納入醫(yī)療保險范圍。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，Continua Alliance正在制定基于USB、Zigbee和藍牙標準的互通協(xié)議，這將加速上述通信接口的采用。對于采用電池供電的便攜式醫(yī)療設備，提高計算能力、減小尺寸和延長運行時間的要求使得電源系統(tǒng)設計極具挑戰(zhàn)性。電源系統(tǒng)對電池大小、運行時間、待機時間、物料(BOM)成本和可靠性均有影響。

便攜式醫(yī)療系統(tǒng)所涵蓋的應用極其廣泛，包括血壓監(jiān)控、血糖儀、脈搏血氧儀和超聲應用等。一些應用要求硬件長時間工作，而另一些應用則要求較短的工作時間和較長的待機時間。雖然終端應用千差萬別，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)，存儲器存儲軟件和數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)連接用于訪問結(jié)果。圖1顯示了一個帶鍵盤和顯示器的典型手持式便攜系統(tǒng)。當連接市電時，便攜式系統(tǒng)必須能夠發(fā)揮最大處理能力，同時不會產(chǎn)生過多熱量；當保持便攜狀態(tài)時，電池使用時間必須最大化。電池最長使用時間，即便攜式設備在需要充電或更換電池前所能工作的時間，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，才能使電池壽命達到最長。大多數(shù)高性能便攜式系統(tǒng)采用3.6V標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)包含多個集成電路，各集成電路都有自己的優(yōu)化半導體工藝和工作電壓要求。便攜式應用的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。當今最常用的調(diào)節(jié)器是低壓差(LDO)和降壓型開關調(diào)節(jié)器，如圖2所示。LDO由基準電壓源、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Vin遠高于Vout時，LDO 效率低下，這是因為未輸送到負載的功率會以熱量形式損失。LDO效率約為(Vo/Vin)×100%。

圖2 LDO和降壓轉(zhuǎn)換器的功能框圖

LDO無法儲存大量未使用的能量，因此未輸送到負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，當要求LDO最大程度地省電時，必須檢查其靜態(tài)電流和使能功能。當系統(tǒng)處于正常工作模式與休眠模式之間的空閑模式時，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關斷，使休眠模式下的功耗不到1μA，從而延長電池使用時間。例如，ADP150就是一款出色的低靜態(tài)電流LDO。

當電源電壓比工作電壓高得多時，開關DC/DC轉(zhuǎn)換器是更好的選擇，它能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率，因為在將一個直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個直流電壓時，它能夠?qū)⒛芰颗R時儲存在電感的磁場中，然后釋放給負載。便攜式開關調(diào)節(jié)器以500kHz～3MHz的頻率工作。DC/DC開關轉(zhuǎn)換器有多種拓撲結(jié)構(gòu)。內(nèi)置開關元件的同步降壓型調(diào)節(jié)器用于輸出電壓遠低于輸入電壓的場合，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，當利用LDO將系統(tǒng)電壓從3.6V降至1.2V，為負載電流為300 mA的微處理器內(nèi)核供電時，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，應當用 ADP2108等降壓轉(zhuǎn)換器取代LDO。降壓轉(zhuǎn)換器能將能量儲存在電感的磁場中，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%。設計工程師會發(fā)現(xiàn)，ADP2108尺寸較小，僅使用兩個去耦電容和一個1μH芯片電感，幾乎可以直接取代LDO。選擇降壓轉(zhuǎn)換器時需要考慮的其他省電特性包括：低靜態(tài)電流、使能功能以及負載電流較小情況下的省電模式。

為使電池使用時間達到最長，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。運行復雜的專用軟件對計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，延長電池運行時間，但軟件性能會下降。系統(tǒng)架構(gòu)師可以通過選擇最適合應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)端口和處于測量間隙的傳感器，使用調(diào)節(jié)器的使能輸入或 ADP190/ADP195等負載開關來隔離電池，如圖1所示。

設計便攜式電源系統(tǒng)時，并不存在萬用的解決方案。延長電池使用時間的方法有許多種，某種方法可能優(yōu)于其他方法。本文所述的技術同時適用于便攜式和市電供電的醫(yī)療設備，能夠提高系統(tǒng)效率，降低內(nèi)部溫度和運行成本。