像很多其他應(yīng)用所遇到的情況一樣，低功率高精度組件也使便攜式和無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。然而，與很多其他應(yīng)用不同，多數(shù)醫(yī)療產(chǎn)品的可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性標(biāo)準(zhǔn)通常高得多。正如大家預(yù)料的那樣，這種高標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的負(fù)擔(dān)大部分落在電源系統(tǒng)以及與其相關(guān)的支持性組件上。

醫(yī)療產(chǎn)品必須正確運(yùn)行，并在各種電源之間無(wú)縫切換，例如 AC 電源、備份電池甚至收集的環(huán)境能源。此外，必須不遺余力地針對(duì)故障提供保護(hù)并承受故障，在由電池供電時(shí)最大限度延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，并確保無(wú)論何時(shí)，只要存在有效的電源，系統(tǒng)就能正?？煽康剡\(yùn)行。

目前促進(jìn)便攜式和無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀器增長(zhǎng)的主要趨勢(shì)之一是患者護(hù)理，尤其是越來(lái)越多地在患者家中使用遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的主要原因純粹是經(jīng)濟(jì)性的，也就是說(shuō)，讓患者住院的成本不斷提高，簡(jiǎn)直令人望而卻步。因此，很多這類(lèi)便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)必須采用RF發(fā)射器，以便所收集的任何患者數(shù)據(jù)都能夠直接發(fā)回醫(yī)院中的監(jiān)察系統(tǒng)，以供主管醫(yī)生立即或稍后查看及分析。

考慮到這種典型情況，做出以下假定是合理的：與讓患者住院觀(guān)察相比，提供給患者合適的醫(yī)療儀器供其在家中使用，成本更低。不過(guò)，供患者在家中使用的設(shè)備必須可靠且簡(jiǎn)便易用，這是極為重要的。因此，這類(lèi)產(chǎn)品的制造商和設(shè)計(jì)師必須確保產(chǎn)品能夠無(wú)縫地用多種電源運(yùn)行，同時(shí)還要確保非?？煽康貙o(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳回醫(yī)院。這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)電源管理架構(gòu)時(shí)非常謹(jǐn)慎。這種架構(gòu)必須是堅(jiān)固、靈活、緊湊和高效率。

1 潛在問(wèn)題和解決方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在提供無(wú)線(xiàn)傳送功能的系統(tǒng)中使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器這種情況并非不常見(jiàn)。主要原因是，使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器可以最大限度降低 EMI 和噪聲輻射。不過(guò)，盡管開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲比線(xiàn)性穩(wěn)壓器大，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線(xiàn)性穩(wěn)壓器。已經(jīng)證明，在很多敏感型應(yīng)用中，只要開(kāi)關(guān)行為是可預(yù)測(cè)的，噪聲和 EMI 水平就是可控的。如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在正常工作模式以恒定頻率切換，而且轉(zhuǎn)換邊沿是干凈和可預(yù)測(cè)的，沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴，那么就可以最大限度減小 EMI。此外，小尺寸封裝和高工作頻率也可以實(shí)現(xiàn)占板面積很小的緊湊布局，這也最大限度減小了 EMI 輻射。還有，如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以與低 ESR 陶瓷電容器一起使用，那么輸入和輸出電壓紋波都可以最大限度降低，而這些紋波是系統(tǒng)中額外的噪聲源。

今天功能豐富的醫(yī)療設(shè)備的主輸入電源通常采用來(lái)自外部 AC/DC 適配器的 24V 或 12V DC 電源。然后，利用同步降壓型轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步將這個(gè)電壓降至 5V 和/或 3.xV 電源軌。不過(guò)，在這些醫(yī)療設(shè)備中，在運(yùn)行電壓不斷降低的同時(shí)，內(nèi)部進(jìn)行后置穩(wěn)壓的電源軌數(shù)量也在增加。因此，很多這類(lèi)系統(tǒng)還需要 3.xV、2.xV 或 1.xV 軌，以給低功率傳感器、存儲(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。此外，既然醫(yī)療設(shè)備的正常運(yùn)行常常是至關(guān)重要的，因此很多醫(yī)療設(shè)備常常采用電池備份系統(tǒng)，以在其主電源由于某種原因出現(xiàn)故障時(shí)，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

傳統(tǒng)上，較低電壓軌一直由降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器供電。然而，這類(lèi) IC 不能利用電池的全部運(yùn)行范圍，因此縮短了設(shè)備電池的潛在運(yùn)行時(shí)間。而使用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器時(shí) (這種轉(zhuǎn)換器可以對(duì)可變的輸入源升壓或降壓)，可以利用電池的全部運(yùn)行范圍。那么由于獲得了更多可用電池容量，因此提高了運(yùn)行裕度，延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間，尤其是在接近放電曲線(xiàn)的較低端時(shí)。

顯然，滿(mǎn)足主電池系統(tǒng)應(yīng)用需求并解決上述相關(guān)問(wèn)題的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案應(yīng)該具備以下特性：

• 具備寬輸入電壓范圍的降壓-升壓型電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)，以在使用各種電池供電電源時(shí)，在其相關(guān)電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓;

• 無(wú)論運(yùn)行時(shí)還是停機(jī)時(shí)具備超低靜態(tài)電流，以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間;

• 能夠高效地給系統(tǒng)電壓軌供電;

• 能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行庫(kù)倫計(jì)數(shù)而不會(huì)顯著影響 IC 靜態(tài)電流 (電池電量消耗)，以確定剩余電池電量;

• 電流限制以衰減浪涌電流，從而保護(hù)電池;

• 占板面積很小、重量很輕的扁平解決方案;

• 先進(jìn)的封裝以提高熱性能和空間利用率。

凌力爾特最近推出了一款毫微功率 LTC3335 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，該器件集成了庫(kù)倫計(jì)數(shù)器，具備上述所有屬性。有些主電池應(yīng)用需要非常低的靜態(tài)電流，還需要知道有關(guān)剩余電池電量的信息，LTC3335 是為這類(lèi)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。另外，LTC3335 也適用于將庫(kù)倫計(jì)數(shù)器作為檢查系統(tǒng)故障的手段，以檢測(cè)潛在電池組件或負(fù)載泄漏。參見(jiàn)圖 1。

LTC3335 是一款毫微功率高、效率同步的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置了精確的庫(kù)倫計(jì)數(shù)器，可提供高達(dá) 50mA 連續(xù)輸出電流。憑借僅為 680nA 的靜態(tài)電流和從 5mA 直至 250mA 的可編程峰值輸入電流，該器件非常適合多種低功率電池應(yīng)用。例如電池備份、便攜式健康監(jiān)視系統(tǒng)之類(lèi)的應(yīng)用。其 1.8V 至 5.5V 輸入范圍和 8 個(gè) 1.8V 至 5V 用戶(hù)可選輸出可提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電源，且輸入電壓可高于、低于或等于輸出電壓。

此外，該器件集成了精確 (±5% 電池放電測(cè)量準(zhǔn)確度) 的庫(kù)倫計(jì)數(shù)器，在長(zhǎng)壽命、不可再充電電池供電應(yīng)用中，該計(jì)數(shù)器可用來(lái)準(zhǔn)確監(jiān)視累計(jì)的電池放電量，這類(lèi)應(yīng)用在很多情況下都有極其平坦的電池放電曲線(xiàn)。LTC3335 包括 4 個(gè)內(nèi)部低 RDSON MOSFET，可提供高達(dá) 90% 的效率。其他特點(diǎn)包括可編程放電報(bào)警門(mén)限、一個(gè)用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)庫(kù)倫計(jì)數(shù)值和器件編程的 I2C 接口、一個(gè)電源良好標(biāo)記輸出和 8 個(gè)從 5mA 至 250mA 的可選峰值輸入電流，以適應(yīng)多種類(lèi)型和尺寸的電池。LTC3335 的工作結(jié)溫度范圍為-40℃至 +125℃，采用耐熱性能增強(qiáng)型20引線(xiàn) 3mm x 4mm QFN 封裝。

用一個(gè) 24V 或 12V DC 輸入獲得一組低壓軌的另一種方法是，采用一個(gè)具有多輸出能力的高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。因此，凌力爾特開(kāi)發(fā)了 4 輸出單片同步降壓型轉(zhuǎn)換器 LT8602。其 3V 至 42V 的輸入電壓范圍使該器件非常適合醫(yī)療應(yīng)用。正如在圖 2 中看到的那樣，其 4 通道設(shè)計(jì)整合了兩個(gè)高壓 2.5A 和 1.5A 通道與兩個(gè)較低電壓的 1.8A 通道，以提供 4 個(gè)獨(dú)立的輸出，并可提供低至 0.8V 的電壓，從而使該器件能夠驅(qū)動(dòng)目前市場(chǎng)上電壓最低的微處理器內(nèi)核。該器件的同步整流拓?fù)涮峁└哌_(dá) 94% 的效率，同時(shí)以突發(fā)模式 (Burst Mode®) 運(yùn)行可在無(wú)負(fù)載備用條件下保持靜態(tài)電流低于30µA (所有通道均接通)，從而使該器件非常適合電池供電系統(tǒng)。

就噪聲敏感型應(yīng)用而言，僅采用一個(gè)小型外部濾波器，LT8602 就可以運(yùn)用其脈沖跳躍模式以最大限度降低開(kāi)關(guān)噪聲，并可滿(mǎn)足 CISPR25 Class 5 EMI 要求。這使該器件能夠便利地用于無(wú)線(xiàn)傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

LT8602 的開(kāi)關(guān)頻率可在 250kHz 至 2MHz 范圍內(nèi)設(shè)定，并可在這個(gè)范圍內(nèi)同步。該器件具有60ns 最短接通時(shí)間，能夠以 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率在高壓通道上實(shí)現(xiàn) 16VIN 至 2.0VOUT 的降壓轉(zhuǎn)換。當(dāng)高壓 VOUT2 通道向兩個(gè)低壓通道 (VOUT3 和 VOUT4) 供電，且這兩個(gè)低壓通道以 2MHz 頻率切換時(shí)，可提供低至 0.8V 的輸出，因此該器件可構(gòu)成非常緊湊 (在單面電路板上約占 25mm x 25mm 面積) 的 4 輸出解決方案，如圖3所示。

除了最大限度減小解決方案占板面積，LT8602 的 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率還使設(shè)計(jì)師能夠避開(kāi)關(guān)鍵噪聲敏感頻段。LT8602 的每個(gè)通道在所有條件下都保持僅為 200mV (在 1A) 的最小壓差電壓，從而使該器件能夠在汽車(chē)?yán)滠?chē)發(fā)動(dòng)等情況下表現(xiàn)出色。針對(duì)每個(gè)通道的可編程加電復(fù)位和電源良好指示器有助于確保系統(tǒng)的總體可靠性。LT8602 的 40 引線(xiàn)耐熱性能增強(qiáng)型 6mm x 6mm QFN 封裝和高開(kāi)關(guān)頻率允許使用小型外部電感器和電容器，從而可構(gòu)成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。此外，獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法和新型高速工藝使該器件在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效率，而且 LT8602 的電流模式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)和卓越的環(huán)路穩(wěn)定性。

2 結(jié)論

顯然，設(shè)計(jì)在家中護(hù)理患者的醫(yī)療系統(tǒng)時(shí)，無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀器的系統(tǒng)架構(gòu)面臨著很多技術(shù)障礙。潛在的噪聲干擾問(wèn)題必須減輕，必須提供電池備份運(yùn)行能力以防主電源出故障，而且需要控制尺寸和成本。幸運(yùn)的是，凌力爾特公司提供了大量適用的解決方案，以滿(mǎn)足這些設(shè)計(jì)要求。