便攜式醫(yī)療應(yīng)用的電源管理解決方案

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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)。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(jiǎn)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(zhǎng)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?jī)?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(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)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。