【導讀】在患者護理情形中醫(yī)療產品通常對于可靠性、運行時間和堅固性有著高得多的標準，不僅必須確保它們能夠依靠多種電源實現無縫運行，并在對從患者身上收集的數據進行無線傳輸的過程中提供高可靠性。新型電源 IC 讓無線醫(yī)療儀表受益。
背景
與許多其他的應用一樣，低功率高精度組件實現了便攜式和無線醫(yī)療儀器的快速成長。不過，和很多其他應用不同的是，此類醫(yī)療產品通常對于可靠性、運行時間和堅固性有著高得多的標準。這個負擔大部分落在電源系統(tǒng)及其組件的身上。醫(yī)療產品必須正確地操作，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，并確保每當接入了某種有效電源時正常的系統(tǒng)操作是可靠的。
患者護理，推動便攜式和無線醫(yī)療儀表成長的關鍵因素
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上說完全是出于經濟的考慮，讓患者住在醫(yī)院里觀察治療所需承擔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)都必須結合 RF 發(fā)送器，以便能夠把從患者身上收集的任何數據直接發(fā)回醫(yī)院內的監(jiān)控系統(tǒng)，以供主管醫(yī)師日后復審和分析之用。
電源管理架構的四個要求
面對上述情形，合理的假設是：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：交由患者使用的設備必須具有可靠和簡單易用的特性。因此，這些產品的制造商和設計師必須確保它們能夠依靠多種電源實現無縫運行，并在對從患者身上收集的數據進行無線傳輸的過程中提供高可靠性。這就要求設計師確保電源管理架構擁有堅固、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；因此一項關鍵的要求就是實現低靜態(tài)電流以延長電池壽命。于是，自 2010 年以來，電源 IC 制造商一直在生產備用靜態(tài)電流小于 30μA 的開關穩(wěn)壓器。事實上，我們近期推出的部分產品已經把這一數字降低到只有 2.5μA。因此，這些產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。
盡管開關穩(wěn)壓器產生的噪聲高于線性穩(wěn)壓器，但其效率指標則比后者優(yōu)越得多。已經證實：在許多敏感型應用中，只要開關電源以可預知的方式運行，那么噪聲和 EMI 水平是可控的。如果開關穩(wěn)壓器在正常模式中以恒定頻率執(zhí)行開關操作，而且開關脈沖邊沿是干凈和可預知的，并沒有過沖或高頻振鈴，則可實現 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對主電源故障情況的配置，此類 IC 并未進行相應的優(yōu)化。于是，當采用降壓-升壓型轉換器 (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，尤其當它接近其放電曲線的較低端時。
電源IC解決方案的特殊屬性
相應地，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 轉換器解決方案應具有以下特性：
一種具有寬輸入電壓范圍的降壓-升壓型 DC/DC 架構，以在采用多種電池供電型電源及其相關電壓范圍時調節(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
新型電源：LTC3119
可滿足上述要求的一款新型電源 IC 是—— LTC3119，它是一款同步電流模式單片降壓-升壓型轉換器，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 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 應用和精確的模擬應用。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部 PLL 實現同步使得可以在很寬的 400kHz 至 2MHz 開關頻率范圍內運行，這就允許在轉換效率和解決方案尺寸之間做出權衡。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、大電流脈沖負載應用、系統(tǒng)備份電源、以及甚至連接 12V 轉換系統(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。
結論
就設計眾多電池供電和 / 或由電池提供備份電源的醫(yī)療系統(tǒng)而言，已經呈現出巨大的機會。與此同時，在選擇合適的電源轉換解決方案以滿足關鍵設計目標方面，系統(tǒng)設計師面臨一些艱難的挑戰(zhàn)，這些設計目標包括在不損害效率、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計性。
設計一個滿足系統(tǒng)目標又不影響性能的解決方案是個艱巨的任務。幸運的是，我們提供了越來越多的降壓-升壓型轉換器解決方案，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。
