新型電源 IC 讓無線醫(yī)療儀表受益

背景

與許多其他的應(yīng)用一樣，低功率高精度組件實現(xiàn)了便攜式和無線醫(yī)療儀器的快速成長。不過，和很多其他應(yīng)用不同的是，此類醫(yī)療產(chǎn)品通常對于可靠性、運行時間和堅固性有著高得多的標(biāo)準(zhǔn)。這個負擔(dān)大部分落在電源系統(tǒng)及其組件的身上。醫(yī)療產(chǎn)品必須正確地操作，并在多種電源 (例如：交流電源插座、備份電池、甚至是收集的環(huán)境能量源) 之間無縫地切換。此外，還必須竭盡全力地提供針對各種不同故障情況的保護及耐受能力，盡量地延長依靠電池供電時的工作時間，并確保每當(dāng)接入了某種有效電源時正常的系統(tǒng)操作是可靠的。

目前，推動便攜式和無線醫(yī)療儀表成長的主要趨勢之一是患者護理。具體來說，這就是在病患自己的家中越來越多地使用遠程監(jiān)護系統(tǒng)。這一發(fā)展趨勢的起因從本質(zhì)上說完全是出于經(jīng)濟的考慮，讓患者住在醫(yī)院里觀察治療所需承擔(dān)的費用簡直讓人望而卻步。因此，許多這樣的便攜式電子監(jiān)護系統(tǒng)都必須結(jié)合 RF 發(fā)送器，以便能夠把從患者身上收集的任何數(shù)據(jù)直接發(fā)回醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)，以供主管醫(yī)師日后復(fù)審和分析之用。

面對上述情形，合理的假設(shè)是：為患者提供合適家用醫(yī)療儀表的成本遠遠低于讓患者留院觀察所需支付的費用。然而，頭等重要的一點是：交由患者使用的設(shè)備必須具有可靠和簡單易用的特性。因此，這些產(chǎn)品的制造商和設(shè)計師必須確保它們能夠依靠多種電源實現(xiàn)無縫運行，并在對從患者身上收集的數(shù)據(jù)進行無線傳輸?shù)倪^程中提供高可靠性。這就要求設(shè)計師確保電源管理架構(gòu)擁有堅固、靈活、緊湊和高效的特點。

電源 IC 解決方案

醫(yī)療電子系統(tǒng)中的許多應(yīng)用即使在交流電源發(fā)生中斷時也需要連續(xù)供電;因此一項關(guān)鍵的要求就是實現(xiàn)低靜態(tài)電流以延長電池壽命。于是，自 2010 年以來，電源 IC 制造商一直在生產(chǎn)備用靜態(tài)電流小于 30μA 的開關(guān)穩(wěn)壓器。事實上，我們近期推出的部分產(chǎn)品已經(jīng)把這一數(shù)字降低到只有 2.5μA。因此，這些產(chǎn)品已完全具備了在由電池提供備份電源的醫(yī)療系統(tǒng)中使用之條件。

盡管開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲高于線性穩(wěn)壓器，但其效率指標(biāo)則比后者優(yōu)越得多。已經(jīng)證實：在許多敏感型應(yīng)用中，只要開關(guān)電源以可預(yù)知的方式運行，那么噪聲和 EMI 水平是可控的。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式中以恒定頻率執(zhí)行開關(guān)操作，而且開關(guān)脈沖邊沿是干凈和可預(yù)知的，并沒有過沖或高頻振鈴，則可實現(xiàn) EMI 的最小化。小封裝尺寸和高工作頻率能提供小巧緊湊的布局，從而最大限度地降低 EMI 輻射。除此之外，假如穩(wěn)壓器可與低 ESR 陶瓷電容器配合使用，那么就能盡量地減少輸入和輸出電壓紋波，而這些紋波是系統(tǒng)中的額外噪聲源。

許多功能豐富的患者監(jiān)測醫(yī)療裝置中電源軌數(shù)目有所增加，而工作電壓則持續(xù)地下降。雖然如此，許多此類系統(tǒng)仍然需要 1.xV 至 8.xV 的寬廣電壓范圍，用于為電機、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。

傳統(tǒng)上，這些電壓軌一直是由降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器提供。然而，對于那些還在系統(tǒng)中納入了一個備份電池以應(yīng)對主電源故障情況的配置，此類 IC 并未進行相應(yīng)的優(yōu)化。于是，當(dāng)采用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 (其能提升電壓或降低電壓) 時，它將使電池的全工作范圍能得到利用。這增加了操作裕量，并延長了電池運行時間，因為更多的電池壽命是可用的，尤其當(dāng)它接近其放電曲線的較低端時。

相應(yīng)地，在可能也配有一個主電池的便攜式醫(yī)療儀表中使用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案應(yīng)具有以下特性：

· 一種具有寬輸入電壓范圍的降壓-升壓型 DC/DC 架構(gòu)，以在采用多種電池供電型電源及其相關(guān)電壓范圍時調(diào)節(jié) VOUT

· 在工作模式和停機模式中均提供超低靜態(tài)電流以延長電池運行時間

· 能夠有效地為系統(tǒng)電壓軌供電

· 電流限制功能以用于減小浪涌電流，從而保護電池

· 解決方案占板面積小、重量輕、外形扁平

· 可提供先進封裝以改善熱性能和空間效率

可滿足上述要求的一款新型電源 IC 是我們提供的 LTC3119。它是一款同步電流模式單片降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，在降壓模式中，可從多種輸入源提供高達 5A 的連續(xù)輸出電流，輸入源包括單節(jié)或多節(jié)電池、未穩(wěn)壓交流適配器、以及太陽能電池板和超級電容器。一旦啟動，該器件 2.5V 至 18V 的輸入電壓范圍就可擴展至 250mV。輸入高于、低于或等于輸出時，輸出電壓都是穩(wěn)定的，且輸出電壓在 0.8V 至 18V 范圍內(nèi)是可編程的。用戶可選的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作將靜態(tài)電流降至僅為 31μA，從而提高了輕負載效率，同時延長了電池運行時間。LTC3119 采用的專有 4 開關(guān) PWM 降壓-升壓型拓撲在所有工作模式時均提供低噪聲、無抖動切換，因而非常適合對電源噪聲敏感的 RF 應(yīng)用和精確的模擬應(yīng)用。另外，該器件還包含可編程最大功率點控制 (MPPC) 功能，以確保從光伏電池等具較高輸出阻抗的電源提供最大功率。參見圖 1 以了解該器件的簡化原理圖。

圖 1：高集成度和高性能 LTC3119 的原理圖

LTC3119 包含 4 個內(nèi)部低 RDSON N 溝道 MOSFET，提供高達 95% 的效率。突發(fā)模式操作可停用，以提供低噪聲連續(xù)切換。外部頻率編程或采用內(nèi)部 PLL 實現(xiàn)同步使得可以在很寬的 400kHz 至 2MHz 開關(guān)頻率范圍內(nèi)運行，這就允許在轉(zhuǎn)換效率和解決方案尺寸之間做出權(quán)衡。其他特點包括短路保護、熱過載保護、低于 3μA 的停機電流和一個電源良好指示器。該器件采用纖巧的外部組件，工作電壓范圍很寬，擁有緊湊的封裝，靜態(tài)電流也很低，因此非常適合 RF 電源、大電流脈沖負載應(yīng)用、系統(tǒng)備份電源、以及甚至連接 12V 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的鉛酸電池。

很多便攜式醫(yī)療系統(tǒng)都需要用多個輸入源供電，包括單節(jié)或多節(jié)電池配置、交流適配器和超級電容器組。

結(jié)論

就設(shè)計眾多電池供電和 / 或由電池提供備份電源的醫(yī)療系統(tǒng)而言，已經(jīng)呈現(xiàn)出巨大的機會。與此同時，在選擇合適的電源轉(zhuǎn)換解決方案以滿足關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)方面，系統(tǒng)設(shè)計師面臨一些艱難的挑戰(zhàn)，這些設(shè)計目標(biāo)包括在不損害效率、運行時間，并且可滿足輻射規(guī)范要求和解決方案尺寸的情況下，符合輸入至輸出電壓涵蓋限制、提供合適的功率水平和易設(shè)計性。

設(shè)計一個滿足系統(tǒng)目標(biāo)又不影響性能的解決方案是個艱巨的任務(wù)。幸運的是，我們提供了越來越多的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器解決方案，這些解決方案由于能夠跨很寬的負載范圍高效率運行，所以可簡化設(shè)計，提供同類最佳性能，并能在電池充電周期之間最大限度地延長運行時間。