醫(yī)療保健應(yīng)用領(lǐng)域的電源管理解決方案介紹

不同的醫(yī)療保健應(yīng)用對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)療保健是一個十分有意思的市場。雖然醫(yī)療保健產(chǎn)品的設(shè)計周期非常長，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)護和成像應(yīng)用。本文將針對每個領(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)計實踐。全球老齡化、不斷壯大的經(jīng)濟力量以及創(chuàng)新為家庭醫(yī)療保健領(lǐng)域帶來了許多全新應(yīng)用。對病人而言，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)療保健市場早已存在，但最近才涌現(xiàn)出越來越先進的面向消費者的解決方案。這類解決方案的示例有：運動監(jiān)護儀、血壓監(jiān)護儀以及心率監(jiān)護儀。另外，便攜式血液分析儀和脈搏血氧儀系統(tǒng)也進入當(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。在這類應(yīng)用中，較低的功耗可延長器件的工作時間，而無需充電或更換電池。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，但對家庭醫(yī)療保健它很重要。成本約束逐漸成為消費電子市場的特點。

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負(fù)載開關(guān)關(guān)閉(如ADP190)， 而為實時時鐘(RTC)供電的其他電路(如ADP160 )始終開啟。開啟時，ADP190具有低于2 μA的接地電流，而ADP160在空載時僅消耗大約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。

ADP2140 是一款高度集成的降壓開關(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。

對鋰離子電池充電時，可采用高級電池充電解決方案，如ADP5065 。該器件是一款極為高效的開關(guān)模式充電器，由于具有許多錯誤檢測和安全功能，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mini-USB VBUS引腳從墻壁充電器、車載充電器或USB主機端口進行充電。

某些僅供短期使用的低成本便攜式醫(yī)療保健系統(tǒng)可能會圍繞不可充電的堿性電池而設(shè)計。相比常見的雙電池供電，使用單電池單元在重量和成本方面更有優(yōu)勢。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。為了對電子設(shè)備供電，需要能以高能效轉(zhuǎn)換此類低輸入電壓的升壓穩(wěn)壓器。圖2顯示采用ADP1607 作為首個電源轉(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。

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。雖然高集成度無疑對系統(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，才能進行極高精度的測量。

通常采用銀匣型AC-DC電源產(chǎn)生一個或多個中間電壓。隨后，這些電軌用于產(chǎn)生更低的電壓。圖

圖3顯示的是一個微型PMU(電源管理單元)。這款A(yù)DP5050采用來自AC-DC電源的12 V電軌供電。該PMU集成四個開關(guān)穩(wěn)壓器以及一個線性穩(wěn)壓器。雖然體積緊湊，但它集成了很多理想功能。單個降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率進行同步和相移，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。一個獨特的特性是兩個開關(guān)穩(wěn)壓器能以另外兩個穩(wěn)壓器開關(guān)頻率的一半運行。這樣可以保持一個可預(yù)測的低EMI曲線，同時允許低功率電軌以較高的開關(guān)頻率工作，并在高功率電軌上使用較低的開關(guān)頻率以獲得最高效率。

最后，提供I2C接口，以動態(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

此類系統(tǒng)都是臨床應(yīng)用?？梢杂糜跍y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，有時需提供備用電池。當(dāng)病人轉(zhuǎn)移到不同的醫(yī)院站點時，備用電池有助于提供不間斷的生命體征監(jiān)護。

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。這一趨勢的優(yōu)勢是避免光耦合器的老化效應(yīng)以獲得長期可靠性，同時在一個封裝中集成不同的半導(dǎo)體功能，如USB、I2C和電源管理開關(guān)穩(wěn)壓器。這些器件可以增強絕緣，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。圖中有兩個電感，中間為隔離柵，由聚酰亞胺、二氧化硅(SiO2)或類似的隔離材料組成。

圖5顯示集成iCoupler 功能的典型 isoPower?器件。 isoPower不僅能通過隔離柵耦合信號，還能進行電源耦合。ADuM540x可提供最高達500 mW的總功率。除了電源耦合外，芯片還能集成最多四個數(shù)據(jù)耦合通道。圖6顯示微芯片封裝內(nèi)的系統(tǒng)照片。

成像

成像應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)。這一領(lǐng)域所取得的進步令人嘆為觀止。產(chǎn)品團隊包括超聲、CT(計算機斷層)、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趨勢。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，任何類型的系統(tǒng)噪聲(包括開關(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)為圖像中常見的誤差線，有時也表現(xiàn)為對比度、色彩或灰度等級質(zhì)量的下降。

電源可能會影響圖像檢測或圖像顯示電路。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，但實際的EMI性能卻無法得到保證。對電源模塊的生產(chǎn)過程作出最輕微的改變都可能造成圖像質(zhì)量方面的問題。為獲得更高水平的控制，完全由醫(yī)療保健成像設(shè)計公司開發(fā)分立式電源設(shè)計并進行生產(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蟠笙鄰酵?。我們討論了各個領(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(專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)，或者基于ASIC(專用集成電路)。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)護和成像應(yīng)用領(lǐng)域，電源管理解決方案將進一步優(yōu)化，以配合超高精度信號路徑元件。