針對醫(yī)療設(shè)備的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案

凌力爾特從開始就一直服務(wù)于醫(yī)療市場。我們最近看到，低功率精確組件已經(jīng)使便攜式和無線醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。不過，與其他很多應(yīng)用不同，這些醫(yī)療產(chǎn)品通常對可靠性、運行時間和堅固性有高得多的要求。這種負(fù)擔(dān)大部分落到了電源系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療產(chǎn)品必須在使用各種電源時正確運行，并能夠在這些電源之間無縫切換，例如 AC 電源插座、備份電池甚至收集的環(huán)境能源。此外，必須花費大量時間研究怎樣針對故障提供保護和容錯，怎樣在電池供電時最大限度延長電池運行時間，以及確保無論有效電源是否存在，系統(tǒng)都能正常運行。

目前，促進(jìn)便攜式和無線醫(yī)療儀器增長的主要趨勢之一是患者護理。尤其是，位于患者家中的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的使用日漸增多。出現(xiàn)這種趨勢的原因從本質(zhì)上說純粹是經(jīng)濟性的，讓患者住在醫(yī)院的成本簡直令人望而卻步。因此，這類便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)很多都必須納入 RF 發(fā)送器，以便所收集的任何患者數(shù)據(jù)都能夠直接發(fā)送到位于醫(yī)院中的監(jiān)察系統(tǒng)，方便主管醫(yī)生查閱和分析。

考慮到以上情況，可以合理假定，向患者提供合適的醫(yī)療儀器供他們在家里使用，比讓患者住院觀察成本更低。然而，非常重要的一點是，患者使用的設(shè)備必須可靠、萬無一失。因此，這類產(chǎn)品的制造商和設(shè)計師都必須確保這些產(chǎn)品可以無縫地用多種電源運行，并非常可靠地?zé)o線傳送所收集的患者數(shù)據(jù)。這就要求設(shè)計師確保電源管理架構(gòu)可靠、靈活、緊湊和高效率。

幸運的是，凌力爾特公司憑借自己的產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)專長，針對這些問題提供了解決方案。既然醫(yī)療電子系統(tǒng)中有很多應(yīng)用需要連續(xù)供電，甚至在交流供電系統(tǒng)中斷時，那么一個關(guān)鍵要求就是低靜態(tài)電流，以延長電池壽命。相應(yīng)地，凌力爾特自2000年以來，一直生產(chǎn)備用靜態(tài)電流低于 100mA 的開關(guān)穩(wěn)壓器。實際上，我們最近推出的一些產(chǎn)品，其靜態(tài)電流已經(jīng)低至 2.5mA 了。因此，這些產(chǎn)品已經(jīng)為進(jìn)入采用備份電池的醫(yī)療電子系統(tǒng)做好了準(zhǔn)備。

盡管開關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生更大的噪聲，但是其效率出色得多。在很多敏感應(yīng)用中已經(jīng)證明，只要開關(guān)行為可預(yù)測，那么噪聲和 EMI 的大小就都是可控的。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常工作模式以恒定頻率切換，且開關(guān)邊沿是干凈和可預(yù)測的，沒有過沖或高頻振鈴，那么 EMI 就可以最小化。小型封裝和高工作頻率可以提供占板面積很小的緊湊布局，這最大限度減小了 EMI 輻射。此外，如果穩(wěn)壓器可以使用低 ESR 陶瓷電容器，那么輸入和輸出電壓紋波都可以最小化，這兩種紋波都是系統(tǒng)中額外的噪聲源。

在如今功能豐富的醫(yī)療設(shè)備中，電源軌的數(shù)量已經(jīng)增多了，但是工作電壓卻在持續(xù)降低。然而，很多這類系統(tǒng)仍然需要 3V、3.3V 或 3.6V 軌，以給低功率傳感器、存儲器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。此外，因為醫(yī)療系統(tǒng)的正常運行有時是至關(guān)重要的，因此很多系統(tǒng)都采用了備份電池，以防給系統(tǒng)供電的交流電源發(fā)生故障。

過去，這類系統(tǒng)的電壓軌是由降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器供電的。不過，因為這類 IC 不能利用電池的全部工作范圍，所以縮短了設(shè)備電池的可能運行時間。因此，當(dāng)使用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器時 (可以提高或降低電壓)，將允許利用電池的全部工作范圍。這增大了運行裕度，并延長了電池運行時間，因為利用了更多電池可用電量，尤其是在靠近放電曲線的較低端時。

顯然，滿足主電池系統(tǒng)應(yīng)用需求并解決上述有關(guān)問題的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案應(yīng)該具備以下特點：

1)降壓-升壓型 DC/DC 架構(gòu)，具備很寬的輸入電壓范圍，可通過各種電池電源、在相關(guān)電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié) Vout。

2)運行模式和停機模式都具備超低靜態(tài)電流，以延長電池運行時間。

3)能夠以高效率給系統(tǒng)軌供電。

4)能夠在不對 IC 靜態(tài)電流造成顯著影響的情況下，準(zhǔn)確進(jìn)行庫倫計數(shù)，以確定電池的充電狀態(tài)。

5)限制電流以衰減浪涌電流，保護電池。

6)小型、很輕和扁平的解決方案。

7)先進(jìn)封裝提高熱性能和空間利用率。

凌力爾特最近推出的產(chǎn)品 LTC3335 就具備了上述所有特性，這是一款集成了庫倫計數(shù)器的毫微功率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。該器件為主電池應(yīng)用而設(shè)計，這類應(yīng)用需要真正的低靜態(tài)電流，還需要知道有關(guān)剩余電池電量的信息。或者說，需要知道庫倫計數(shù)器檢測到的潛在電池組件或負(fù)載泄漏達(dá)到什么程度，才可以確認(rèn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。參見圖 1。

圖 1：集成了庫倫計數(shù)器的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器LTC3335

LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置了精確的庫倫計數(shù)器，提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流。該器件具備僅為 680nA 的靜態(tài)電流和從低至 5mA 到高達(dá) 250mA 的可編程峰值輸入電流，非常適合多種低功率電池應(yīng)用，例如使用備份電池的便攜式健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中那類電池應(yīng)用。其 1.8V 至 5.5V 輸入范圍和 8 個 1.8V 至 5V 的用戶可選輸出提供了一個穩(wěn)定的輸出電源，輸入電壓可以高于、低于或等于輸出。此外，該器件集成了精確的 (電池放電測量準(zhǔn)確度為 ±5%) 庫倫計數(shù)器，在長壽命不可再充電電池供電應(yīng)用中，可準(zhǔn)確監(jiān)視累計電池放電量，這類電池供電應(yīng)用很多都有極度平坦的電池放電曲線。LTC3335 包括 4 個內(nèi)部低 RDSON MOSFET，可提供高達(dá) 90% 的效率。其他特點包括可編程放電報警門限、用于庫倫計數(shù)和器件設(shè)定的 I2C 接口、一個電源良好輸出以及 8 個從 5mA 至高達(dá) 250mA 的可選峰值輸入電流，以適合多種類型和尺寸的電池。LTC3335 的工作結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +125°C，采用耐熱增強型 20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝。