目前, 推動可攜式和無線醫療儀錶成長的主要趨勢之一是患者護理. 具體來說, 這就是在病患家中逐漸使用遠程監護系統. 此發展趨勢的起因, 從本質上說完全是出於經濟的考慮, 因為讓患者住院觀察治療所需承擔的費用簡直讓人望而卻步. 因此, 許多此類可攜式電子監護系統都必須結合RF發送器, 以便能夠將從患者身上收集的任何數據直接回傳醫院的監控系統, 以供主管醫師日後檢視和分析之用.
面對上述情形, 合理的假設是: 為患者提供合適家用醫療儀錶的成本遠遠低於讓患者留院觀察所需支付的費用. 然而, 最重要的一點是: 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, 這些產品的製造商和設計者必須確保其能依靠多種電源實現無縫運行, 並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. 而這就要求設計者必須確保電源管理架構能達到堅固, 彈性, 精小和高效率.
開關穩壓效率高
對於醫療電子系統中的許多應用而言, 即使在交流電源發生中斷時也需要連續供電; 因此其關鍵要求之一便是實現低靜態電流以延長電池壽命. 於是, 自2010年以來, 電源IC製造商一直在生產備用靜態電流小於30μA的開關穩壓器. 事實上, 淩力爾特近期推出的部分產品已經把此降至僅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療系統中使用之條件.
儘管開關穩壓器產生的雜訊高於線性穩壓器, 但其效率指針則比後者優越得多. 已經證實的是: 在許多敏感型應用中, 只要開關電源以可預知的方式運行, 那麼雜訊和EMI水平是可控制的. 如果開關穩壓器在正常模式中以定頻執行開關操作, 而且開關脈衝邊緣是乾淨和可預知的, 並沒有過沖或高頻振鈴, 而可實現EMI的最小化. 小封裝尺寸和高工作頻率能提供纖巧的布局, 從而最大限度地降低EMI輻射. 除此之外, 假如穩壓器可與低ESR陶瓷電容器配合使用, 那麼就能盡量地減少輸入和輸出電壓漣波, 而這些漣波是系統中的額外雜訊源.
許多功能豐富的患者監測醫療裝置中, 電源軌數目越趨增加, 而工作電壓則持續地下降. 雖然如此, 許多此類系統仍然需要1.xV至8.xV的寬廣電壓範圍, 以針對電機, 低功率感測器, 記憶體, 微控制器核心, I/O和邏輯電路供電.
傳統上, 這些電壓軌一直是由降壓開關穩壓器或低壓差穩壓器提供. 然而, 對於那些還在系統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並未進行相應的優化. 於是, 當採用升降壓轉換器(其能提升電壓或降低電壓)時, 它將使電池的全工作範圍能得到利用. 這增加了操作餘裕, 並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.
醫療用DC/DC要求高
相對地, 在可能也配有一個主電池的可攜式醫療儀錶中使用的DC/DC轉換器解決方案應具有以下特性:
1.一種具有寬廣輸入電壓範圍的升降壓DC/DC架構, 以在採用多種電池供電型電源及其相關電壓範圍時調節VOUT
2.在工作模式和關機模式中均提供超低靜態電流以延長電池運行時間
3.能夠有效地為系統電壓軌供電
4.電流限制功能以用於減小湧浪電流, 從而保護電池
5.解決方案占板面積小, 重量輕, 外形扁平
6.可提供先進封裝以改善熱性能和空間效率
可滿足上述要求的新型電源IC是淩力爾特提供的LTC3119. 其為一款同步電流模式單晶升降壓轉換器, 在降壓模式中, 可從多種輸入源提供高達5A的連續輸出電流, 輸入源包括單顆或多顆電池, 未穩壓交流適配器, 以及太陽能電池板和超級電容器. 一旦啟動, 該組件2.5V至18V的輸入電壓範圍就可擴展至250mV. 輸入高於, 低於或等於輸出時, 輸出電壓都是穩定的, 且輸出電壓在0.8V至18V範圍內是可編程的. 用戶可選的突發模式(Burst Mode)操作將靜態電流降至僅為31μA, 從而提高了輕負載效率, 同時延長了電池運行時間. LTC3119採用的專有4開關PWM升降壓拓撲在所有工作模式時均提供低雜訊, 無抖動切換, 因而非常適合對電源雜訊敏感的RF應用和精準的類比應用. 另外, 該組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以了解該組件的簡化原理圖.
圖1 高整合度和高性能LTC3119的周邊電路與效率表現.
LTC3119包含4個內部低RDSON N通道MOSFET, 提供高達95%的效率. 突發模式操作可停用, 以提供低雜訊連續切換. 外部頻率編程或採用內部PLL實現同步使得可以在很寬的400kHz至2MHz開關頻率範圍內運行, 如此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, 熱超載保護, 低於3μA的停機電流和一個電源良好指示器. 該組件採用纖巧的外部組件, 工作電壓範圍很寬廣, 擁有精小的封裝, 靜態電流也很低, 因此非常適合RF電源, 大電流脈衝負載應用, 系統備份電源, 以及甚至連接12V轉換系統的鉛酸電池.
許多可攜式醫療系統都需要用多個輸入源供電, 包括單顆或多顆電池配置, 交流適配器和超級電容器組.
就設計眾多電池供電或由電池提供備份電源的醫療系統而言, 龐大的機會已經出現. 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, 系統設計者面臨著艱難的挑戰, 這些設計目標包括在不損害效率, 運行時間, 並且可滿足輻射規範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.
設計一個滿足系統目標又不影響性能的解決方案是個艱巨的任務. 幸運的是, 已有越來越多的升降壓轉換器解決方案, 這些解決方案由於能夠跨寬廣的負載範圍高效率運行, 因此可簡化設計, 提供同類最佳性能, 並能在電池充電周期之間達到最長的運作時間.