便攜式醫(yī)療應(yīng)用的電源問(wèn)題ADI公司給出解決方案

在將病人送往醫(yī)院就診之前，便攜式醫(yī)療保健設(shè)備可幫助醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人士監(jiān)控病人生命體征、恢復(fù)心臟跳動(dòng)、利用超聲檢查體內(nèi)狀況。就此，在醫(yī)院便攜式醫(yī)療設(shè)備越來(lái)越頻繁的出現(xiàn)在人們視線(xiàn)中。便攜式醫(yī)療的目的是給家庭提供易于使用、可互操作并具有診斷價(jià)值的醫(yī)療保健設(shè)備，以便將相關(guān)費(fèi)用納入醫(yī)療保險(xiǎn)范圍。避免里醫(yī)院出診，降低了醫(yī)療成本。病人在家就可以通過(guò)使用便攜式醫(yī)療設(shè)備來(lái)監(jiān)控血壓、肺活量、血糖水平，以及記錄心臟事件。重要的是便攜式醫(yī)療設(shè)備都帶有USB或無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)連接，可以更好的讓醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員在醫(yī)院和在家不間斷地監(jiān)控病人狀況。同時(shí)，Continua Alliance正在制定基于USB、Zigbee和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的互通協(xié)議，以來(lái)加速這些通信接口的使用。由于采用電池供電的便攜式醫(yī)療設(shè)備計(jì)算能力一般、尺寸偏大、運(yùn)算時(shí)間不長(zhǎng)等不足，使得電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作極具挑戰(zhàn)性。電源系統(tǒng)對(duì)電池大小、運(yùn)行時(shí)間、待機(jī)時(shí)間、物料（BOM）成本和可靠性均有影響。

便攜式醫(yī)療系統(tǒng)所涵蓋的應(yīng)用極其廣泛，包括血壓監(jiān)控、血糖儀、脈搏血氧儀和超聲應(yīng)用等。應(yīng)用要求的工作時(shí)間也不同，有的工作時(shí)間短，但是需要較長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間，有的要求硬件長(zhǎng)時(shí)間的工作。雖然終端應(yīng)用千差萬(wàn)別，但大多數(shù)便攜式系統(tǒng)都一個(gè)核心功能：傳感器采集數(shù)據(jù)，微處理器（帶專(zhuān)用軟件）分析數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)軟件和數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)連接用于訪(fǎng)問(wèn)結(jié)果。圖1顯示了一個(gè)帶鍵盤(pán)和顯示器的典型手持式便攜系統(tǒng)。當(dāng)連接市電時(shí)，便攜式系統(tǒng)必須能夠發(fā)揮最大處理能力，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量；當(dāng)保持便攜狀態(tài)時(shí)，電池使用時(shí)間必須最大化。電源系統(tǒng)因素，電池容量、電源系統(tǒng)效率和電源管理軟件等。都將影響電池的最長(zhǎng)使用時(shí)間，即便攜式設(shè)備需要充電或更換電池之前工作的時(shí)間量。只有充分利用好所有因素降低電池的消耗，有效使用電池，才能使電池壽命達(dá)到最長(zhǎng)。大多數(shù)高性能便攜式系統(tǒng)采用3.6V標(biāo)稱(chēng)輸出的鋰離子充電電池供電。

圖1 典型手持醫(yī)療系統(tǒng)

便攜式系統(tǒng)包含優(yōu)化半導(dǎo)體工藝和工作電壓要求的多個(gè)集成電路。便攜式應(yīng)用需要使用降壓調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)IC采用比電池更低的工作電壓?jiǎn)栴}。當(dāng)今最常用的調(diào)節(jié)器是低壓差（LDO）和降壓型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，如圖2所示。LDO由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、分壓器和傳輸管（pass transistor）組成。低壓差調(diào)節(jié)器只需使用兩個(gè)外部電容就能用較高直流電壓產(chǎn)生較低直流電壓，十分簡(jiǎn)便。但是，當(dāng)Vin遠(yuǎn)高于Vout時(shí)，未輸送到負(fù)載的功率會(huì)以熱量形式損失。LDO效率約為（Vo/Vin）×100%.LDO效率將變得低下。

圖2 LDO和降壓轉(zhuǎn)換器的功能框圖

LDO無(wú)法儲(chǔ)存大量未使用的能量，因此未輸送到負(fù)載的功率以熱量形式在LDO內(nèi)部耗散。例如，連接到3.6V電池的2.6V LDO的效率為72%.此外，當(dāng)要求LDO最大程度地省電時(shí)，必須檢查其靜態(tài)電流和使能功能。其中ADP150就是一款出色的低靜態(tài)電流LDO.當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作模式與休眠模式之間的空閑模式時(shí)，低靜態(tài)電流（Iq）可以減少系統(tǒng)的功耗，從而提高系統(tǒng)的自主性。使能輸入引腳允許LDO關(guān)斷，使休眠模式下的功耗不到1μA,從而延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

當(dāng)電源電壓比工作電壓高得多時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器能獲得更好的效率，在將一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)直流電壓時(shí)，它的能量能暫時(shí)存儲(chǔ)在電感磁場(chǎng)，然后釋放給負(fù)載。便攜式開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器以500kHz~3MHz的頻率工作。DC/DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。內(nèi)置開(kāi)關(guān)元件的同步降壓型調(diào)節(jié)器用于輸出電壓遠(yuǎn)低于輸入電壓的場(chǎng)合，在便攜式系統(tǒng)中最為常用。用降壓調(diào)節(jié)器替換LDO可以提高系統(tǒng)效率。例如，當(dāng)利用LDO將系統(tǒng)電壓從3.6V降至1.2V,為負(fù)載電流為300 mA的微處理器內(nèi)核供電時(shí)，LDO效率約為1.2V/3.6V×100%=33%,67%的輸入功率以熱量形式損失。為了提高效率并降低工作溫度，應(yīng)當(dāng)用ADP2108等降壓轉(zhuǎn)換器取代LDO.降壓轉(zhuǎn)換器能將能量?jī)?chǔ)存在電感的磁場(chǎng)中，因而效率更高。用過(guò)使用ADIsimPowerTM設(shè)計(jì)工程師會(huì)發(fā)現(xiàn)，在相同條件下ADP2108的效率為80%,比LDO提高47%.然而ADP2108尺寸較小，僅使用兩個(gè)去耦電容和一個(gè)1μH芯片電感，幾乎可以直接取代LDO.，低靜態(tài)電流、使能功能以及負(fù)載電流較小情況下的省電模式，都是選擇變壓轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)。

延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，除了優(yōu)化便攜式系統(tǒng)硬件效率以外，還必須優(yōu)化電源管理軟件。運(yùn)行復(fù)雜的專(zhuān)用軟件需要使用高耗電量的高速微處理器。降低處理器速度可以降低功耗，延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，但軟件性能會(huì)下降。系統(tǒng)架構(gòu)師可以通過(guò)選擇最適合應(yīng)用的處理器速度來(lái)提高系統(tǒng)效率。便攜式系統(tǒng)還可以通過(guò)關(guān)斷子系統(tǒng)來(lái)達(dá)到省電的目的，如微處理器、顯示器背光、數(shù)據(jù)端口和處于測(cè)量間隙的傳感器，使用調(diào)節(jié)器的使能輸入或ADP190/ADP195等負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)隔離電池，如圖1所示。

設(shè)計(jì)便攜式電源系統(tǒng)時(shí)，并不存在萬(wàn)能的解決方案。延長(zhǎng)電池使用時(shí)間的方法有許多種，有的方法可能優(yōu)于其他方法。本文所述的技術(shù)同時(shí)適用于便攜式和市電供電的醫(yī)療設(shè)備，能夠提高系統(tǒng)效率，降低內(nèi)部溫度和運(yùn)行成本。