【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(lái)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(lái)越先進(jìn)的面向消費(fèi)者的解決方 案。這類(lèi)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(lèi)應(yīng)用中，較低的功耗可 延長(zhǎng)器件的工作時(shí)間，而無(wú)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(guò)負(fù)載開(kāi)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(kāi)啟。開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)mini-USB VBUS引腳從墻壁充電器、車(chē)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(jiàn)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(lèi)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(lèi)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(wú)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(kāi)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(lái)自AC-DC電源的12 V電軌供電。該P(yáng)MU集成四個(gè)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器能以另外兩個(gè) 穩(wěn)壓器開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率工作， 并在高功率電軌上使用較低的開(kāi)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(lèi)系統(tǒng)都是臨床應(yīng)用。可以用于測(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(kāi)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(lèi)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(guò)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(lèi)型的系統(tǒng)噪聲(包括開(kāi)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(jiàn)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(wú)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(wú)法得到 保證。對(duì)電源模塊的生產(chǎn)過(guò)程作出最輕微的改變都可能造 成圖像質(zhì)量方面的問(wèn)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(kāi)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(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn) 品)，或者基于ASIC(專(zhuān)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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