【導(dǎo)讀】不同的醫(yī)療保健應(yīng)用對(duì)電源管理解決方案的要求也不盡相同。就電源管理而言，醫(yī)療保健是一個(gè)十分有意思的市場(chǎng)。雖然醫(yī)療保健產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期非常長(zhǎng)，但高水平的創(chuàng) 新正在不斷滿足新型醫(yī)療保健電子產(chǎn)品需求。這些創(chuàng)新產(chǎn)品不僅代替了舊有設(shè)備，還占領(lǐng)了新的市場(chǎng)和應(yīng)用，這些應(yīng)用領(lǐng)域在幾年前尚不存在。本文將討論四個(gè)不同的醫(yī)療保健應(yīng)用領(lǐng)域。它們是家庭醫(yī)療保健、儀器儀表、病人監(jiān) 護(hù)和成像應(yīng)用。本文將針對(duì)每個(gè)領(lǐng)域分別討論電源管理解決方案。
家庭醫(yī)療保健
在家庭醫(yī)療保健方面有大量的設(shè)計(jì)實(shí)踐。全球老齡化、不 斷壯大的經(jīng)濟(jì)力量以及創(chuàng)新為家庭醫(yī)療保健領(lǐng)域帶來了許 多全新應(yīng)用。對(duì)病人而言，好處是更高的靈活性、更好的 服務(wù)以及有望減少就醫(yī)次數(shù)。雖然家庭醫(yī)療保健市場(chǎng)早已 存在，但最近才涌現(xiàn)出越來越先進(jìn)的面向消費(fèi)者的解決方 案。這類解決方案的示例有：運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)儀、血壓監(jiān)護(hù)儀以 及心率監(jiān)護(hù)儀。另外，便攜式血液分析儀和脈搏血氧儀系 統(tǒng)也進(jìn)入當(dāng)今家庭醫(yī)療保健領(lǐng)域。
從電源管理角度出發(fā)，由于便攜性是必需的，所有這些系 統(tǒng)都需要高集成度。真正便攜的產(chǎn)品采用電池供電，因此 要求系統(tǒng)具有高電源效率。在這類應(yīng)用中，較低的功耗可 延長(zhǎng)器件的工作時(shí)間，而無需充電或更換電池。最后，成 本也是很重要的規(guī)格指標(biāo)。雖然在其他一些醫(yī)療保健應(yīng)用 中，電源管理解決方案的成本可能不是最重要的規(guī)格，但 對(duì)家庭醫(yī)療保健它很重要。成本約束逐漸成為消費(fèi)電子市 場(chǎng)的特點(diǎn)。
圖1顯示采用鋰離子電池的充電系統(tǒng)的電源鏈。該電源架 構(gòu)可確保電路的某些部分可以通過負(fù)載開關(guān)關(guān)閉(如 ADP190)， 而為實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)供電的其他電路(如ADP160 )始終開啟。開啟時(shí)，ADP190具有低于2 μA的接地 電流，而ADP160在空載時(shí)僅消耗大約560 nA的電源電流。 這樣可將電池的永久放電保持在最低水平。
圖1. 便攜式電池供電型家庭醫(yī)療保健器件的典型電源鏈
ADP2140 是一款高度集成的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，配合線性穩(wěn) 壓器使用。該電源管理單元可節(jié)省空間和成本。
對(duì)鋰離子電池充電時(shí)，可采用高級(jí)電池充電解決方案，如ADP5065 。該器件是一款極為高效的開關(guān)模式充電器，由 于具有許多錯(cuò)誤檢測(cè)和安全功能，因此特別適合醫(yī)療應(yīng) 用。該解決方案完全符合USB 2.0、USB 3.0和USB電池充電 規(guī)格1.1，可通過mini-USB VBUS引腳從墻壁充電器、車載 充電器或USB主機(jī)端口進(jìn)行充電。
某些僅供短期使用的低成本便攜式醫(yī)療保健系統(tǒng)可能會(huì)圍 繞不可充電的堿性電池而設(shè)計(jì)。相比常見的雙電池供電， 使用單電池單元在重量和成本方面更有優(yōu)勢(shì)。單堿性電池 系統(tǒng)面臨的難題是電池電壓范圍僅為0.8 V至1.5 V。為了對(duì) 電子設(shè)備供電，需要能以高能效轉(zhuǎn)換此類低輸入電壓的升 壓穩(wěn)壓器。圖2顯示采用ADP1607 作為首個(gè)電源轉(zhuǎn)換步驟 的應(yīng)用。該電路能產(chǎn)生3.3 V電壓，滿足大部分系統(tǒng)要求。
圖2. 采用單單元堿性電池為便攜式醫(yī)療保健系統(tǒng)供電
儀器儀表
儀器儀表方面的示例應(yīng)用有：血液分析儀、透析儀和臨床 診斷設(shè)備。
儀器儀表設(shè)備通常為非便攜式設(shè)備。這類應(yīng)用的電源管理 要求不像“家庭醫(yī)療保健”部分那樣受諸多因素限制。儀器 儀表領(lǐng)域通常有充足的電能，因此不用擔(dān)心電源效率。雖 然高集成度無疑對(duì)系統(tǒng)有幫助，但這并非首要考慮因素。 儀器儀表應(yīng)用通常重視低噪聲性能。開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn) 壓器必須具有極低的噪聲，才能進(jìn)行極高精度的測(cè)量。
通常采用銀匣型AC-DC電源產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)中間電壓。隨 后，這些電軌用于產(chǎn)生更低的電壓。 圖
圖3顯示的是一個(gè)微型PMU(電源管理單元)。這款A(yù)DP5050采用來自AC-DC電源的12 V電軌供電。該P(yáng)MU集成四個(gè)開關(guān) 穩(wěn)壓器以及一個(gè)線性穩(wěn)壓器。雖然體積緊湊，但它集成了 很多理想功能。單個(gè)降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率進(jìn)行同步和相移，以便最大程度地降低輸入線路上的噪聲，并使用小輸 入電容。一個(gè)獨(dú)特的特性是兩個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器能以另外兩個(gè) 穩(wěn)壓器開關(guān)頻率的一半運(yùn)行。這樣可以保持一個(gè)可預(yù)測(cè)的 低EMI曲線，同時(shí)允許低功率電軌以較高的開關(guān)頻率工作， 并在高功率電軌上使用較低的開關(guān)頻率以獲得最高效率。
圖3. 提供多電壓和I2C連接性的微型電源管理單元
最后，提供I2C接口，以動(dòng)態(tài)地改變輸出電壓、檢查芯片溫 度、設(shè)置不同通道的相移、輸出電源良好指示，并使能單 個(gè)通道。這些功能有助于智能儀器儀表系統(tǒng)監(jiān)視和控制電 源管理。
病人監(jiān)護(hù)
此類系統(tǒng)都是臨床應(yīng)用?？梢杂糜跍y(cè)量血壓，也可用在心 電圖(ECG)和脈搏血氧儀系統(tǒng)中。電源管理通常采用線路供 電，因此只要處理好散熱，能效就不大重要。真正重要的 是可靠性、出于安全目的的電流隔離以及低噪聲。為了增 加可靠性，有時(shí)需提供備用電池。當(dāng)病人轉(zhuǎn)移到不同的醫(yī) 院站點(diǎn)時(shí)，備用電池有助于提供不間斷的生命體征監(jiān)護(hù)。
隔離需要符合最嚴(yán)格的醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 60601-1。采用 iCouplers®技術(shù)的數(shù)字隔離器正在代替光耦合器，而隔離完 整性完全不受影響。這一趨勢(shì)的優(yōu)勢(shì)是避免光耦合器的老 化效應(yīng)以獲得長(zhǎng)期可靠性，同時(shí)在一個(gè)封裝中集成不同的 半導(dǎo)體功能，如USB、I2C和電源管理開關(guān)穩(wěn)壓器。這些器 件可以增強(qiáng)絕緣，并可承受IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 kV 浪涌。 iCoupler 產(chǎn)品采用芯片級(jí)變壓器，與光耦合器和基 于電容的數(shù)字隔離器相比具有非常魯棒的共模瞬變抗擾 度。圖4顯示感性隔離概念。圖中有兩個(gè)電感，中間為隔離 柵，由聚酰亞胺、二氧化硅(SiO2)或類似的隔離材料組成。
圖4. 跨越隔離柵的感性數(shù)字耦合概念
圖5顯示集成iCoupler 功能的典型 isoPower®器件。 isoPower不 僅能通過隔離柵耦合信號(hào)，還能進(jìn)行電源耦合。ADuM540x可提供最高達(dá)500 mW的總功率。除了電源耦合外，芯片還 能集成最多四個(gè)數(shù)據(jù)耦合通道。圖6顯示微芯片封裝內(nèi)的 系統(tǒng)照片。
圖5. 用iCoupler實(shí)現(xiàn)電流絕緣的isoPower 照片
圖6. 用iCoupler 設(shè)置isoPower數(shù)字隔離器
成像
成像應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)。這一領(lǐng)域所取得的進(jìn)步令人嘆為觀 止。產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)包括超聲、CT(計(jì)算機(jī)斷層)、數(shù)字X射線、 MRI(磁共振成像)和PET(正電子發(fā)射斷層掃描)。
電源管理方面有兩個(gè)趨勢(shì)。諸如MRI和PET等大型系統(tǒng)極 為耗電，需要很多分布式電源。這些電源要求特定水平的 效率以便散熱。
在成像應(yīng)用中，任何類型的系統(tǒng)噪聲(包括開關(guān)噪聲甚至 LDO輸出電壓噪聲)都有可能出現(xiàn)在最終圖像中。可能表 現(xiàn)為圖像中常見的誤差線，有時(shí)也表現(xiàn)為對(duì)比度、色彩或 灰度等級(jí)質(zhì)量的下降。
電源可能會(huì)影響圖像檢測(cè)或圖像顯示電路。若在成像系統(tǒng) 中兩者都受影響，則最終圖像質(zhì)量將變得無法接受。有些 醫(yī)療成像設(shè)備制造商曾使用電源管理模塊，但最終放棄 了。雖然主要規(guī)格有保證，但實(shí)際的EMI性能卻無法得到 保證。對(duì)電源模塊的生產(chǎn)過程作出最輕微的改變都可能造 成圖像質(zhì)量方面的問題。為獲得更高水平的控制，完全由 醫(yī)療保健成像設(shè)計(jì)公司開發(fā)分立式電源設(shè)計(jì)并進(jìn)行生產(chǎn)可 能是更好的做法。
結(jié)論
在醫(yī)療保健應(yīng)用中，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娫垂芾淼囊蟠笙?徑庭。我們討論了各個(gè)領(lǐng)域中特定解決方案的要求。在家 庭醫(yī)療保健領(lǐng)域，很多解決方案基于ASSP(專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn) 品)，或者基于ASIC(專用集成電路)。少量應(yīng)用可采用現(xiàn)成 電源管理單元標(biāo)準(zhǔn)。在儀器儀表、病人監(jiān)護(hù)和成像應(yīng)用領(lǐng) 域，電源管理解決方案將進(jìn)一步優(yōu)化，以配合超高精度信 號(hào)路徑元件。
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