選擇合適的PMIC來提高光學(xué)傳感器信噪比

升壓轉(zhuǎn)換器通常用于提高便攜式和可穿戴設(shè)備中的電池電壓。然而，它們表現(xiàn)出的行為會對光學(xué)傳感應(yīng)用中的信噪比（SNR）產(chǎn)生負面影響。在本設(shè)計解決方案中，我們解釋了為什么會發(fā)生這種情況，然后介紹一種使用PMIC的新型電源管理，該PMIC具有升壓轉(zhuǎn)換器，專門設(shè)計用于在光學(xué)檢測應(yīng)用中最大化SNR。

介紹

在你對可穿戴設(shè)備的圣杯的不懈追求中，即更長的電池壽命，你有沒有考慮過 您正在使用的節(jié)能技術(shù)實際上可能對 設(shè)備設(shè)計用于的功能？具有諷刺意味的是，是的，但這只是隨著可穿戴設(shè)備的激增。 我們已經(jīng)開始更好地了解他們何時以及如何消耗電池電量。這種理解正在導(dǎo)致新的 可以改進普遍接受的節(jié)能方法的技術(shù)。在此設(shè)計解決方案中，我們回顧了 目前在光學(xué)傳感應(yīng)用中管理電池電壓的方式以及這種方法的注意事項。 然后，我們考慮使用克服這些限制的新型PMIC的優(yōu)勢，從而提高傳感器性能。 同時降低功耗。

光學(xué)傳感

光學(xué)傳感器通常用于測量心率和血氧合（SpO）等健康指標(biāo)2). 這些測量基于一種稱為光電容積脈搏波（PPG）的技術(shù)。PPG 信號由下式獲得 使用發(fā)光二極管照亮皮膚并檢測反射光強度的變化（圖2） 使用光電二極管，其產(chǎn)生與接收光量成比例的電流。

圖2.使用 LED 和光電二極管的 PPG 信號。

進行精確測量所需的光脈沖數(shù)量和強度將取決于以下用例： 特定時間。例如，當(dāng)佩戴者從事劇烈的體能活動時，測量更具挑戰(zhàn)性 活動比睡眠期間。佩戴者的環(huán)境條件和皮膚色素沉著也會影響LED電流。

電池管理

由于某些類別的鋰電池（范圍從3.2V到4.35V）用作電源，因此升壓 （或降壓-升壓）DC-DC轉(zhuǎn)換器用于將電池電壓增加到任何標(biāo)稱輸出電壓（VOUT_NOM) 在重負載操作（通常為 5V）期間，光學(xué)傳感器需要。由于電池壽命至關(guān)重要，因此 重要的是轉(zhuǎn)換器具有低靜態(tài)電流消耗（IQ).為了在照明時節(jié)省電力 在負載條件下，這些轉(zhuǎn)換器在通常稱為“突發(fā)模式”的情況下工作。對于較重的負載， 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換到“連續(xù)電流”工作模式。兩種工作模式如圖 3 所示。

圖3.升壓轉(zhuǎn)換器的輕負載和重負載條件。

突發(fā)模式是一種常用的電源架構(gòu)，用于在輕負載條件下節(jié)省能源。但是，它可能會導(dǎo)致 用于光學(xué)傳感應(yīng)用時的問題，如以下各節(jié)所述。

突發(fā)模式紋波

輸出電壓上的紋波（VOUT_BST） 既是低頻又是高振幅。高振幅紋波原因 LED光脈沖不一致，導(dǎo)致測量不一致，而低紋波頻率足夠接近 到光學(xué)傳感器的采樣頻率，有效地成為“帶內(nèi)”噪聲源，而“帶內(nèi)”噪聲源不能 被傳感器充分剔除。突發(fā)模式紋波 （120mV， 1.6kHz），適用于負載電流為 10mA如圖4所示。

圖4.具有10mA負載電流的升壓轉(zhuǎn)換器的突發(fā)模式電壓紋波。

過渡之間不可預(yù)測的噪聲

有時，當(dāng)轉(zhuǎn)換器在LED脈沖期間從輕負載操作過渡到重負載操作時，不可預(yù)測 輸出電壓上可能會出現(xiàn)噪聲，如圖5所示。這再次導(dǎo)致可變的 LED 電流， 可能導(dǎo)致測量不可靠。

圖5.模式之間轉(zhuǎn)換期間的噪聲。

對負載瞬變的響應(yīng)緩慢

LED光脈沖的典型持續(xù)時間約為數(shù)百微秒。因此，對于一致的 LED 脈沖電流，響應(yīng)負載瞬變時的建立時間必須盡可能短（<<117μs）。圖6顯示，典型升壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)時間可高達50μs， 這是LED光脈沖持續(xù)時間的重要組成部分。

圖6.模式轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時間。

由緩慢瞬態(tài)響應(yīng)引起的問題如圖7所示，瞬態(tài)幾乎沒有消失 單脈沖持續(xù)時間的結(jié)束。

圖7.對單脈沖持續(xù)時間的負載瞬變響應(yīng)緩慢。

用于光學(xué)傳感器的升壓轉(zhuǎn)換器

顯然，一些升壓轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)出突發(fā)模式行為，這給光學(xué)檢測應(yīng)用帶來了問題。 圖8所示的PMIC包括一個降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，旨在克服這些問題。

圖8.MAX20345帶降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的PMIC。

如圖9所示，該器件降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輕負載紋波幅度要低得多。 （≤ 20mV），確保輕負載LED電流比其他轉(zhuǎn)換器更一致。它還以更高的 給定負載下的頻率。例如，當(dāng)負載低至5mA時，開關(guān)頻率超過100kHz。這 更高的工作頻率有助于防止開關(guān)噪聲干擾測量信號。

圖9.較低幅度降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的突發(fā)模式紋波（MAX20345）。

其次，對負載瞬變的響應(yīng)時間（<3μs）明顯低于LED脈沖持續(xù)時間（117μs）和 是前面顯示的轉(zhuǎn)換器的一個數(shù)量級改進。這種更快的響應(yīng)意味著負載瞬態(tài) 降壓-升壓的響應(yīng)時間不會限制光學(xué)系統(tǒng)測量的總體設(shè)置時間。重要地 對于該轉(zhuǎn)換器，負載瞬態(tài)響應(yīng)時間和紋波特性是一致的，并且 可在脈沖之間重復(fù)。

如表1所示，當(dāng)使用傳統(tǒng)的突發(fā)模式轉(zhuǎn)換器為MAX86140光脈搏血氧儀和心率傳感器供電時，與理想值相比，傳感器的SNR性能下降高達7dB。 實驗室條件（89分貝）。值得注意的是，當(dāng)由該PMIC上的新型降壓-升壓轉(zhuǎn)換器供電時，傳感器的 信噪比性能接近理想的實驗室條件。

表 1.MAX86140的未濾波信噪比性能（dB）

與降壓-升壓穩(wěn)壓器一起，該PMIC還具有三個降壓穩(wěn)壓器和三個低壓差（LDO） 線性穩(wěn)壓器，提供多達七個穩(wěn)壓電壓，每個穩(wěn)壓具有超低靜態(tài)電流。這允許PMIC為多個外設(shè)和傳感器（包括MAX86140光學(xué)AFE）供電，包括 典型可穿戴設(shè)備設(shè)計中的微控制器，如圖10所示。PMIC 采用 56 凸塊， 0.4mm 間距，3.37mm x 3.05mm 晶圓級封裝 （WLP）。

圖 10.帶有降壓-升壓穩(wěn)壓器的PMIC為多個外設(shè)、傳感器和微控制器供電。

總結(jié)

在這個設(shè)計解決方案中，我們回顧了可穿戴設(shè)備中的光學(xué)傳感器如何測量心臟等健康指標(biāo)。 速率和血液氧合。這些傳感器需要比鋰離子電池提供的電壓更高的電壓，需要 升壓轉(zhuǎn)換器。但是，典型的“突發(fā)模式”升壓轉(zhuǎn)換器可能會表現(xiàn)出對SNR產(chǎn)生負面影響的行為 這些傳感器的性能。然后，我們介紹了一種新型電源管理解決方案，使用具有降壓-升壓功能的PMIC。 專為光學(xué)傳感應(yīng)用設(shè)計的轉(zhuǎn)換器。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的使用極大地改善了 可穿戴設(shè)備和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的信噪比性能。

審核編輯：郭婷