無線醫(yī)療儀器需要恰當?shù)墓╇姺椒?/h1>
2016-05-23 06:14:20TonyArmstrong
電子產(chǎn)品世界 2016年4期
Tony Armstrong
摘要：設計在家中護理患者的醫(yī)療系統(tǒng)時，無線醫(yī)療儀器的系統(tǒng)架構面臨著很多技術障礙。潛在的噪聲干擾問題必須減輕，凌力爾特針對有些主電池應用需要非常低的靜態(tài)電流，還需要知道有關剩余電池電量的信息設計了LTC3335。就噪聲敏感型設計了LT8602。
關鍵詞：無線醫(yī)療儀器；噪聲干擾；LTC3335；LT8602
引言
像很多其他應用所遇到的情況一樣，低功率高精度組件也使便攜式和無線醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。然而，與很多其他應用不同，多數(shù)醫(yī)療產(chǎn)品的可靠性、運行時間和堅固性標準通常高得多。正如大家預料的那樣，這種高標準帶來的負擔大部分落在電源系統(tǒng)以及與其相關的支持性組件上。
醫(yī)療產(chǎn)品必須正確運行，并在各種電源之間無縫切換，例如AC電源、備份電池甚至收集的環(huán)境能源。此外，必須不遺余力地針對故障提供保護并承受故障，在由電池供電時最大限度延長運行時間，并確保無論何時，只要存在有效的電源，系統(tǒng)就能正?？煽康剡\行。
目前促進便攜式和無線醫(yī)療儀器增長的主要趨勢之一是患者護理，尤其是越來越多地在患者家中使用遠程監(jiān)視系統(tǒng)。出現(xiàn)這種趨勢的主要原因純粹是經(jīng)濟性的，也就是說，讓患者住院的成本不斷提高，簡直令人望而卻步。因此，很多這類便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)必須采用RF發(fā)射器，以便所收集的任何患者數(shù)據(jù)都能夠直接發(fā)回醫(yī)院中的監(jiān)察系統(tǒng)，以供主管醫(yī)生立即或稍后查看及分析。
考慮到這種典型情況，做出以下假定是合理的：與讓患者住院觀察相比，提供給患者合適的醫(yī)療儀器供其在家中使用，成本更低。不過，供患者在家中使用的設備必須可靠且簡便易用，這是極為重要的。因此，這類產(chǎn)品的制造商和設計師必須確保產(chǎn)品能夠無縫地用多種電源運行，同時還要確保非?？煽康貙o線數(shù)據(jù)傳回醫(yī)院。這就要求系統(tǒng)設計師設計電源管理架構時非常謹慎。這種架構必須是堅固、靈活、緊湊和高效率。
1.潛在問題和解決方案
系統(tǒng)設計師在提供無線傳送功能的系統(tǒng)中使用線性穩(wěn)壓器這種情況并非不常見。主要原因是，使用線性穩(wěn)壓器可以最大限度降低EMI和噪聲輻射。不過，盡管開關穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲比線性穩(wěn)壓器大，開關穩(wěn)壓器的效率卻遠遠高于線性穩(wěn)壓器。已經(jīng)證明，在很多敏感型應用中，只要開關行為是可預測的，噪聲和EMI水平就是可控的。如果開關穩(wěn)壓器在正常工作模式以恒定頻率切換，而且轉換邊沿是干凈和可預測的，沒有過沖或高頻振鈴，那么就可以最大限度減小EMI。此外，小尺寸封裝和高工作頻率也可以實現(xiàn)占板面積很小的緊湊布局，這也最大限度減小了EMI輻射。還有，如果開關穩(wěn)壓器可以與低ESR陶瓷電容器一起使用，那么輸入和輸出電壓紋波都可以最大限度降低，而這些紋波是系統(tǒng)中額外的噪聲源。
今天功能豐富的醫(yī)療設備的主輸入電源通常采用來自外部AC/DC適配器的24V或12V DC電源。然后，利用同步降壓型轉換器，進一步將這個電壓降至5V和/或3.xV電源軌。不過，在這些醫(yī)療設備中，在運行電壓不斷降低的同時，內(nèi)部進行后置穩(wěn)壓的電源軌數(shù)量也在增加。因此，很多這類系統(tǒng)還需要3.xV、2.xV或1.xV軌，以給低功率傳感器、存儲器、微控制器內(nèi)核、I/O和邏輯電路供電。此外，既然醫(yī)療設備的正常運行常常是至關重要的，因此很多醫(yī)療設備常常采用電池備份系統(tǒng)，以在其主電源由于某種原因出現(xiàn)故障時，確保設備正常運行。
傳統(tǒng)上，較低電壓軌一直由降壓型開關穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器供電。然而，這類IC不能利用電池的全部運行范圍，因此縮短了設備電池的潛在運行時間。而使用降壓一升壓型轉換器時（這種轉換器可以對可變的輸入源升壓或降壓），可以利用電池的全部運行范圍。那么由于獲得了更多可用電池容量，因此提高了運行裕度，延長了電池運行時間，尤其是在接近放電曲線的較低端時。
顯然，滿足主電池系統(tǒng)應用需求并解決上述相關問題的DC/DC轉換器解決方案應該具備以下特性：
·具備寬輸入電壓范圍的降壓一升壓型電源轉換架構，以在使用各種電池供電電源時，在其相關電壓范圍內(nèi)調節(jié)輸出電壓；
·無論運行時還是停機時具備超低靜態(tài)電流，以延長電池運行時間；
·能夠高效地給系統(tǒng)電壓軌供電：
·能夠準確地進行庫倫計數(shù)而不會顯著影響IC靜態(tài)電流（電池電量消耗），以確定剩余電池電量；
·電流限制以衰減浪涌電流，從而保護電池；
·占板面積很小、重量很輕的扁平解決方案：
·先進的封裝以提高熱性能和空間利用率。
凌力爾特最近推出了一款毫微功率LTC3335降壓一升壓型轉換器，該器件集成了庫倫計數(shù)器，具備上述所有屬性。有些主電池應用需要非常低的靜態(tài)電流，還需要知道有關剩余電池電量的信息，LTC3335是為這類應用而設計。另外，LTC3335也適用于將庫倫計數(shù)器作為檢查系統(tǒng)故障的手段，以檢測潛在電池組件或負載泄漏。參見圖1。
LTC3335是一款毫微功率高、效率同步的降壓一升壓型轉換器，內(nèi)置了精確的庫倫計數(shù)器，可提供高達50mA連續(xù)輸出電流。憑借僅為680nA的靜態(tài)電流和從5mA直至250mA的可編程峰值輸入電流，該器件非常適合多種低功率電池應用。例如電池備份、便攜式健康監(jiān)視系統(tǒng)之類的應用。其1.8V至5.5V輸入范圍和8個1.8V至5V用戶可選輸出可提供一個穩(wěn)定的輸出電源，且輸入電壓可高于、低于或等于輸出電壓。
此外，該器件集成了精確（±5%電池放電測量準確度）的庫倫計數(shù)器，在長壽命、不可再充電電池供電應用中，該計數(shù)器可用來準確監(jiān)視累計的電池放電量，這類應用在很多情況下都有極其平坦的電池放電曲線。LTC3335包括4個內(nèi)部低RDSON MOSFET，可提供高達90%的效率。其他特點包括可編程放電報警門限、一個用來訪問庫倫計數(shù)值和器件編程的12C接口、一個電源良好標記輸出和8個從5mA至250mA的可選峰值輸入電流，以適應多種類型和尺寸的電池。LTC3335的工作結溫度范圍為-40℃至+125℃，采用耐熱性能增強型20引線3mm x4mmQFN封裝。
用一個24V或12V DC輸入獲得一組低壓軌的另一種方法是，采用一個具有多輸出能力的高壓DC/DC轉換器。因此，凌力爾特開發(fā)了4輸出單片同步降壓型轉換器LT8602。其3V至42V的輸入電壓范圍使該器件非常適合醫(yī)療應用。正如在圖2中看到的那樣，其4通道設計整合了兩個高壓2.5A和1.5A通道與兩個較低電壓的1.8A通道，以提供4個獨立的輸出，并可提供低至0.8V的電壓，從而使該器件能夠驅動目前市場上電壓最低的微處理器內(nèi)核。該器件的同步整流拓撲提供高達94%的效率，同時以突發(fā)模式（Burst Mode）運行可在無負載備用條件下保持靜態(tài)電流低于30uA（所有通道均接通），從而使該器件非常適合電池供電系統(tǒng)。
就噪聲敏感型應用而言，僅采用一個小型外部濾波器，LT8602就可以運用其脈沖跳躍模式以最大限度降低開關噪聲，并可滿足CISPR25 Class 5 EMI要求。這使該器件能夠便利地用于無線傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。
LT8602的開關頻率可在250kHz至2MHz范圍內(nèi)設定，并可在這個范圍內(nèi)同步。該器件具有60ns最短接通時間，能夠以2MHz開關頻率在高壓通道上實現(xiàn)16VIN至2.0VOUT的降壓轉換。當高壓VOUT2通道向兩個低壓通道（VOUT3和VOUT4）供電，且這兩個低壓通道以2MHz頻率切換時，可提供低至0.8V的輸出，因此該器件可構成非常緊湊（在單面電路板上約占25mm×25mm面積）的4輸出解決方案，如圖3所示。
除了最大限度減小解決方案占板面積，LT8602的2MHz開關頻率還使設計師能夠避開關鍵噪聲敏感頻段。LT8602的每個通道在所有條件下都保持僅為200mY（在1A）的最小壓差電壓，從而使該器件能夠在汽車冷車發(fā)動等情況下表現(xiàn)出色。針對每個通道的可編程加電復位和電源良好指示器有助于確保系統(tǒng)的總體可靠性。LT8602的40引線耐熱性能增強型6mm×6mm QFN封裝和高開關頻率允許使用小型外部電感器和電容器，從而可構成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。此外，獨特的設計方法和新型高速工藝使該器件在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)了高效率，而且LT8602的電流模式拓撲實現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應和卓越的環(huán)路穩(wěn)定性。
2.結論
顯然，設計在家中護理患者的醫(yī)療系統(tǒng)時，無線醫(yī)療儀器的系統(tǒng)架構面臨著很多技術障礙。潛在的噪聲干擾問題必須減輕，必須提供電池備份運行能力以防主電源出故障，而且需要控制尺寸和成本。幸運的是，凌力爾特公司提供了大量適用的解決方案，以滿足這些設計要求。
Tony Armstrong
摘要：設計在家中護理患者的醫(yī)療系統(tǒng)時，無線醫(yī)療儀器的系統(tǒng)架構面臨著很多技術障礙。潛在的噪聲干擾問題必須減輕，凌力爾特針對有些主電池應用需要非常低的靜態(tài)電流，還需要知道有關剩余電池電量的信息設計了LTC3335。就噪聲敏感型設計了LT8602。
關鍵詞：無線醫(yī)療儀器；噪聲干擾；LTC3335；LT8602
引言
像很多其他應用所遇到的情況一樣，低功率高精度組件也使便攜式和無線醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。然而，與很多其他應用不同，多數(shù)醫(yī)療產(chǎn)品的可靠性、運行時間和堅固性標準通常高得多。正如大家預料的那樣，這種高標準帶來的負擔大部分落在電源系統(tǒng)以及與其相關的支持性組件上。
醫(yī)療產(chǎn)品必須正確運行，并在各種電源之間無縫切換，例如AC電源、備份電池甚至收集的環(huán)境能源。此外，必須不遺余力地針對故障提供保護并承受故障，在由電池供電時最大限度延長運行時間，并確保無論何時，只要存在有效的電源，系統(tǒng)就能正?？煽康剡\行。
目前促進便攜式和無線醫(yī)療儀器增長的主要趨勢之一是患者護理，尤其是越來越多地在患者家中使用遠程監(jiān)視系統(tǒng)。出現(xiàn)這種趨勢的主要原因純粹是經(jīng)濟性的，也就是說，讓患者住院的成本不斷提高，簡直令人望而卻步。因此，很多這類便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)必須采用RF發(fā)射器，以便所收集的任何患者數(shù)據(jù)都能夠直接發(fā)回醫(yī)院中的監(jiān)察系統(tǒng)，以供主管醫(yī)生立即或稍后查看及分析。
考慮到這種典型情況，做出以下假定是合理的：與讓患者住院觀察相比，提供給患者合適的醫(yī)療儀器供其在家中使用，成本更低。不過，供患者在家中使用的設備必須可靠且簡便易用，這是極為重要的。因此，這類產(chǎn)品的制造商和設計師必須確保產(chǎn)品能夠無縫地用多種電源運行，同時還要確保非?？煽康貙o線數(shù)據(jù)傳回醫(yī)院。這就要求系統(tǒng)設計師設計電源管理架構時非常謹慎。這種架構必須是堅固、靈活、緊湊和高效率。
1.潛在問題和解決方案
系統(tǒng)設計師在提供無線傳送功能的系統(tǒng)中使用線性穩(wěn)壓器這種情況并非不常見。主要原因是，使用線性穩(wěn)壓器可以最大限度降低EMI和噪聲輻射。不過，盡管開關穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲比線性穩(wěn)壓器大，開關穩(wěn)壓器的效率卻遠遠高于線性穩(wěn)壓器。已經(jīng)證明，在很多敏感型應用中，只要開關行為是可預測的，噪聲和EMI水平就是可控的。如果開關穩(wěn)壓器在正常工作模式以恒定頻率切換，而且轉換邊沿是干凈和可預測的，沒有過沖或高頻振鈴，那么就可以最大限度減小EMI。此外，小尺寸封裝和高工作頻率也可以實現(xiàn)占板面積很小的緊湊布局，這也最大限度減小了EMI輻射。還有，如果開關穩(wěn)壓器可以與低ESR陶瓷電容器一起使用，那么輸入和輸出電壓紋波都可以最大限度降低，而這些紋波是系統(tǒng)中額外的噪聲源。
今天功能豐富的醫(yī)療設備的主輸入電源通常采用來自外部AC/DC適配器的24V或12V DC電源。然后，利用同步降壓型轉換器，進一步將這個電壓降至5V和/或3.xV電源軌。不過，在這些醫(yī)療設備中，在運行電壓不斷降低的同時，內(nèi)部進行后置穩(wěn)壓的電源軌數(shù)量也在增加。因此，很多這類系統(tǒng)還需要3.xV、2.xV或1.xV軌，以給低功率傳感器、存儲器、微控制器內(nèi)核、I/O和邏輯電路供電。此外，既然醫(yī)療設備的正常運行常常是至關重要的，因此很多醫(yī)療設備常常采用電池備份系統(tǒng)，以在其主電源由于某種原因出現(xiàn)故障時，確保設備正常運行。
傳統(tǒng)上，較低電壓軌一直由降壓型開關穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器供電。然而，這類IC不能利用電池的全部運行范圍，因此縮短了設備電池的潛在運行時間。而使用降壓一升壓型轉換器時（這種轉換器可以對可變的輸入源升壓或降壓），可以利用電池的全部運行范圍。那么由于獲得了更多可用電池容量，因此提高了運行裕度，延長了電池運行時間，尤其是在接近放電曲線的較低端時。
顯然，滿足主電池系統(tǒng)應用需求并解決上述相關問題的DC/DC轉換器解決方案應該具備以下特性：
·具備寬輸入電壓范圍的降壓一升壓型電源轉換架構，以在使用各種電池供電電源時，在其相關電壓范圍內(nèi)調節(jié)輸出電壓；
·無論運行時還是停機時具備超低靜態(tài)電流，以延長電池運行時間；
·能夠高效地給系統(tǒng)電壓軌供電：
·能夠準確地進行庫倫計數(shù)而不會顯著影響IC靜態(tài)電流（電池電量消耗），以確定剩余電池電量；
·電流限制以衰減浪涌電流，從而保護電池；
·占板面積很小、重量很輕的扁平解決方案：
·先進的封裝以提高熱性能和空間利用率。
凌力爾特最近推出了一款毫微功率LTC3335降壓一升壓型轉換器，該器件集成了庫倫計數(shù)器，具備上述所有屬性。有些主電池應用需要非常低的靜態(tài)電流，還需要知道有關剩余電池電量的信息，LTC3335是為這類應用而設計。另外，LTC3335也適用于將庫倫計數(shù)器作為檢查系統(tǒng)故障的手段，以檢測潛在電池組件或負載泄漏。參見圖1。
LTC3335是一款毫微功率高、效率同步的降壓一升壓型轉換器，內(nèi)置了精確的庫倫計數(shù)器，可提供高達50mA連續(xù)輸出電流。憑借僅為680nA的靜態(tài)電流和從5mA直至250mA的可編程峰值輸入電流，該器件非常適合多種低功率電池應用。例如電池備份、便攜式健康監(jiān)視系統(tǒng)之類的應用。其1.8V至5.5V輸入范圍和8個1.8V至5V用戶可選輸出可提供一個穩(wěn)定的輸出電源，且輸入電壓可高于、低于或等于輸出電壓。
此外，該器件集成了精確（±5%電池放電測量準確度）的庫倫計數(shù)器，在長壽命、不可再充電電池供電應用中，該計數(shù)器可用來準確監(jiān)視累計的電池放電量，這類應用在很多情況下都有極其平坦的電池放電曲線。LTC3335包括4個內(nèi)部低RDSON MOSFET，可提供高達90%的效率。其他特點包括可編程放電報警門限、一個用來訪問庫倫計數(shù)值和器件編程的12C接口、一個電源良好標記輸出和8個從5mA至250mA的可選峰值輸入電流，以適應多種類型和尺寸的電池。LTC3335的工作結溫度范圍為-40℃至+125℃，采用耐熱性能增強型20引線3mm x4mmQFN封裝。
用一個24V或12V DC輸入獲得一組低壓軌的另一種方法是，采用一個具有多輸出能力的高壓DC/DC轉換器。因此，凌力爾特開發(fā)了4輸出單片同步降壓型轉換器LT8602。其3V至42V的輸入電壓范圍使該器件非常適合醫(yī)療應用。正如在圖2中看到的那樣，其4通道設計整合了兩個高壓2.5A和1.5A通道與兩個較低電壓的1.8A通道，以提供4個獨立的輸出，并可提供低至0.8V的電壓，從而使該器件能夠驅動目前市場上電壓最低的微處理器內(nèi)核。該器件的同步整流拓撲提供高達94%的效率，同時以突發(fā)模式（Burst Mode）運行可在無負載備用條件下保持靜態(tài)電流低于30uA（所有通道均接通），從而使該器件非常適合電池供電系統(tǒng)。
就噪聲敏感型應用而言，僅采用一個小型外部濾波器，LT8602就可以運用其脈沖跳躍模式以最大限度降低開關噪聲，并可滿足CISPR25 Class 5 EMI要求。這使該器件能夠便利地用于無線傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。
LT8602的開關頻率可在250kHz至2MHz范圍內(nèi)設定，并可在這個范圍內(nèi)同步。該器件具有60ns最短接通時間，能夠以2MHz開關頻率在高壓通道上實現(xiàn)16VIN至2.0VOUT的降壓轉換。當高壓VOUT2通道向兩個低壓通道（VOUT3和VOUT4）供電，且這兩個低壓通道以2MHz頻率切換時，可提供低至0.8V的輸出，因此該器件可構成非常緊湊（在單面電路板上約占25mm×25mm面積）的4輸出解決方案，如圖3所示。
除了最大限度減小解決方案占板面積，LT8602的2MHz開關頻率還使設計師能夠避開關鍵噪聲敏感頻段。LT8602的每個通道在所有條件下都保持僅為200mY（在1A）的最小壓差電壓，從而使該器件能夠在汽車冷車發(fā)動等情況下表現(xiàn)出色。針對每個通道的可編程加電復位和電源良好指示器有助于確保系統(tǒng)的總體可靠性。LT8602的40引線耐熱性能增強型6mm×6mm QFN封裝和高開關頻率允許使用小型外部電感器和電容器，從而可構成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。此外，獨特的設計方法和新型高速工藝使該器件在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)了高效率，而且LT8602的電流模式拓撲實現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應和卓越的環(huán)路穩(wěn)定性。
2.結論
顯然，設計在家中護理患者的醫(yī)療系統(tǒng)時，無線醫(yī)療儀器的系統(tǒng)架構面臨著很多技術障礙。潛在的噪聲干擾問題必須減輕，必須提供電池備份運行能力以防主電源出故障，而且需要控制尺寸和成本。幸運的是，凌力爾特公司提供了大量適用的解決方案，以滿足這些設計要求。
