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医疗设备高效电源管理之高性能设计
 

【作者: Mark Patrick】2020年09月08日 星期二

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可携式医疗设备硬体设计中相互矛盾的要求,对於工程团队来说一直是一个巨大挑战。这些常开(always-on)设备必须能够以最高效率管理其电池寿命,同时仍需要保持适合於人体尺寸,以确保患者舒适度,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准性能,并具有牢固架构,但同时也应该具有高成本效益。设计中采用的电源管理积体电路(PMIC)需要利用超低功耗架构,以优化健身跟踪和医疗穿戴式应用中的量测灵敏度,从而实现高讯号杂讯比(SNR)。


无论从普通消费者,还是从医疗保健角度来看,行动网路日益普及已经成为穿戴式技术发展中最重要考量因素之一。穿戴式设备最初设计用於运动和健康,但如今在医疗市场中已经越来越受欢迎。新世代医疗穿戴式设备已经整合了一系列微机电系统(MEMS)感测器,如加速度计、陀螺仪和心率监测器等。随着时间推移,其他感测器已开始整合到MEMS,可用於确定脉搏变化和皮肤电导等叁数,但这些感测器具有本质上SNR问题。为了顺应医疗行业发展动态,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降杂讯技术整合使用。


降低光量测杂讯

各种生物因素都会影响光检测准确性,设计工程师一直试图在更多应用领域提供更好SNR来实现最高灵敏度。低静态电压稳压器IC通常需要伴随使用可降级SNR的元件,例如高幅波纹、低频波纹和较长建立时间(settling time)元件。


医疗领域一个重要量测叁数自然是心率。除了简单每分钟心跳次数外,还可以收集关於身体运动对於心跳影响等大量额外资讯,以便对心脏进行监测。一种称为光体积描记器(PPG)的光学量测方法透过皮下组织中动脉和小动脉膨胀来量测血容量变化,它还可用於确定血液中氧饱和度(SPO2)。


在医疗领域,该技术仰仗佩戴在手指上的夹子实现。PPG透过皮肤(来自放置在一侧LED)发射光束,并量测手指内光的透射变化(透过放置在装置另一侧光二极体)。要确保连续可靠心率量测,设计人员面临几个问题。其操作有效性取决於若干因素,例如环境光影响,LED和光二极体之间串扰,穿戴式设备在皮肤上的移动等等。


Analog Devices的 ADPD174(叁见图一)是专门针对此类应用的光学子系统。该模组整合了高效光度计前端,三个LED和一个高性能光二极体,以帮助解决上面提到的问题。为了获得更高可靠性和准确度,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、光讯号调变、电讯号自动增益控制和滤波、以及低纹波电源等功能。



图一 : Analog Devices公司ADP174功能架构
图一 : Analog Devices公司ADP174功能架构

优化系统能效与改进光学量测机制两者之间貌似是一对矛盾。使用全新开关型配置(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电源汇流排。电压调节元件必须具备低高频波纹,因此它才不会直接干扰心率量测。


LED由於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电感器和IC数量最少。


透过下一世代PMIC实现高效电源管理

伴随个人和远端监控设备的日益成功,减小尺寸、精确量测叁数和延长电池寿命都变得至关重要。穿戴式设备的能效优化策略必须牢固地仰仗基於停机时间(downtime)管理(即只要可能,设备必须处於待机模式)。穿戴式设备的PMIC接受非常低输入电压,并且采用高能量密度电池架构。


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小时持续运作设备之功耗,其整合式降压-升压转换器能够为需要更高电压的众多系统周边元件提供便捷供电。该转换器具有最小化输出杂讯,因而对敏感医疗监测系统量测影响也最低(叁见图二)。



图二 : Maxim Integrated的MAX2034功能架构
图二 : Maxim Integrated的MAX2034功能架构

Texas Instruments开发的TPS6572x系列PMIC成员均整合了电池充电器和高效降压转换器,它们允许使用相对较小电感器和电容器,因而能够实现尺寸更小的解决方案。TPS65720可提供高达200mA输出电流,而TPS657201、TPS657202和TPS65721均能够提供高达400mA电流。每个TPS6572x PMIC还整合有一个200mA LDO,其输入电压范围为1.8V~5.6V,使它们可以透过降压转换器输出或直接透过系统电压供电(叁见图三)。



图三 : Texas Instruments公司的TPS6572x。
图三 : Texas Instruments公司的TPS6572x。

Active-Semiconductor公司的ACT81460可提供完整电源管理解决方案,具有超低待机电流,可延长电池寿命。其高效降压-升压转换器能够为光学心率感测器等各种周边设备供电,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确保在轻负载条件下(即便在几??零负载电流下)具有极高效率,这种状况通常在穿戴式医疗应用中出现。


高阶可携式技术能够监控身体活动,收集资料并提供即时回应,这将成为个性化护理的未来,可为患者提供更大便利,同时能提高医护人员工作效率。身体穿戴式健康监测设备必须具有高精度,高可靠性,且易於管理,使用寿命长,透过采用能够同时满足功率预算和SNR需求的PMIC,可以构建所需监控设备,并能够进一步使社会受益。


(本文作者Mark Patrick任职於贸泽电子)


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