穿戴式生理檢測設備電源設計

耿 斌,王 頡,葛 宏

（航空醫學研究所，北京，100142）

穿戴式生理檢測設備電源設計

耿 斌,王 頡,葛 宏

（航空醫學研究所，北京，100142）

介紹了三種典型的穩壓電源，結合穿戴式生理檢測設備電源管理的特點，分析了電路低功耗設計和電源保護的關鍵技術，提出了一種基于低壓差線性穩壓電源MAX8881、無線充電接收器BQ51013和自恢復保險絲的電源設計實例。

電源管理；穩壓電源；低功耗

近年來穿戴式醫療一直是研究熱點，相關的生理檢測技術發展很快，越來越多的產品得到應用。穿戴式生理檢測裝置佩戴于人體，體積受到嚴格限制，作為電池供電設備，如何使電路滿足功耗低、安全性好、體積小、重量輕、使用方便的要求是電路設計中的一個重要任務，針對穿戴式生理檢測裝置采用的電路特點，設計合適的電源管理電路，在控制體積的條件下降低功耗，保證足夠的電池續航能力，將幫助穿戴式生理檢測裝置更好的從設計走向應用。

1 電源分類

根據不同的工作原理可將電源分成三類：線性穩壓電源、開關穩壓電源及電荷泵電源,它們各自都有一定的特點及適用范圍。

線性穩壓電源，是指調整管工作在線性狀態下的直流穩壓電源，線性穩壓電源是比較早使用的一類直流穩壓電源，其輸出電壓比輸入電壓低，反應速度快，輸出紋波較小，壓差大大時損耗大、效率較低。低壓差線性穩壓電源具有低成本、低噪聲和低靜態電流的優點。

開關穩壓電源內部有一個工作在飽和導通及截止兩種開關狀態的晶體管，通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定的輸出電壓。開關穩壓電源包括升壓、降壓、升／降壓和反轉結構，具有高效率、高輸出電流、低靜態電流等特點，電源輸出電壓的紋波較大，比線性電源會產生更多的干擾，適用于對功耗敏感而對干擾不敏感的設備。

電容電荷泵也稱為開關電容式電壓變換器，其利用電容作為儲能元件，內部的開關管陣列控制著電容的充放電，可以使輸入電壓以一定因數倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓，也可以用于產生負電壓。電荷泵具有較高的效率和相對簡單的外圍電路設計，EMI和紋波的特性居中，但是有輸出電壓和輸出電流的限制。

2 電路低功耗設計

為了滿足實用性要求，需要提高檢測設備的連續工作時間，但考慮到檢測設備穿戴于人體，為滿足舒適型的要求，對體積、重量又有嚴格限制，因此選擇合適的電池供電方案至關重要。目前便攜設備常用的供電方案主要有鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池以及堿性電池。鋰電池的能量效率最高，根據其放電曲線可以知道，鋰電池工作時大部分時間處于3.5V至4V的范圍內，電壓低于3.5V后會快速下降。為延長檢測設備供電電源的續航時間，提高電源的轉換效率，供電電源的供電范圍應盡量接近電池工作電壓，因此各部分電路供電電壓盡量選擇在3V左右。

生理檢測設備按供電要求一般由三部分組成：生理信號傳

感器模塊、微控制器模塊和短距無線通信模塊。信號采集電路和無線通信電路都對電源的穩定性有要求，故均采用低壓差線性穩壓電源，由于鋰電池的工作電壓與電路3.3V的工作電壓很接近，因此可以獲得較高的效率。在具體電源芯片選擇上，為保證無線發射時的電流需要，最大輸出電流需大于50mA。選擇低壓差、低輸出噪聲、低靜態電源電流的線形穩壓電源MAX8881，最高輸入電壓12V，最大輸出電流200mA，選擇固定輸出3.3V的型號，除退藕電容外不需要其他外圍元件。為實現對電路功耗的控制，采用多路電源的方式對各功能電路分別供電。

圖1 MAX8881電源穩壓電路

在降低功耗方面，首先在所有元器件的選型上，都把低功耗作為重要的考慮因素，最重要的微控制器模塊采用高集成度且具備低功耗特性的產品，例如TI的MSP430FG439，其內部集成2級運算放大器、2路DA和3路12位AD，提供5種低功耗模式可以選擇。傳感器模塊選擇具有高能量轉換效率特性的型號。在電路結構上，具備對無線模塊連接狀態的檢測和傳感器待機控制的功能，從而可以在軟件上根據需要動態的控制系統工作狀態，實現降低功耗的目的。還可以通過應用低功耗的無線工作方式，盡量減少檢測裝置無線發射時間，進一步降低功耗。

3 電池及電路保護

鋰電池在正常使用過程中，其內部進行電能與化學能相互轉化的化學正反應。在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內部發生化學副反應，影響電池的性能與使用壽命，并可能產生安全問題，因此需要對電池的充、放電狀態進行有效監測，并在某些條件下關斷充、放電回路以防止對電池及整個電路發生損害。通過微控制器對電池電壓的監測及對電路的控制、充電管理芯片、自恢復保險絲、鋰電池集成的保護電路，共同實現對電池及電路的保護功能，可以防止電池的過放、過充、過載和短路，從而使電池和電路免遭不正常使用導致的損壞。

采用電源接收器bq51013與 bq500210 電源發送器相結合，嵌入在穿戴式設備中的接收器線圈采用近場感應電源傳輸，通過相互耦合的電感器接受發送器發送的電源，構成的無線電源解決方案控制電池充電過程。bq51013集成了一個低阻抗完全同步整流器、低壓降穩壓器、數字控制、精確電壓與電流環路。支持最大20V輸入電壓，具有93% 的整體峰值AC-DC 效率及熱關斷功能，通過ILIM引腳外接的電阻來控制充電截至電流。非接觸的充電方式可以減少穿戴式設備的外部接口，使用更方便。

圖2 BQ51013電源充電電路

電池電壓會隨著放電過程逐漸降低，如果電壓過低，將造成電池的永久性損壞?？梢酝ㄟ^微控制器的模數轉換功能實現對電池電壓的監測，當檢測到電壓低于一定數值時，微控制器關斷各路穩壓電源，自身也進入功耗極低的掉電模式。當電池電壓進一步降低時，電池集成的保護電路產生作用，切斷放電回路，使電池無法再對負載進行放電。

除了在檢測設備的設計、制作和使用過程排除潛在隱患外，還可以通過應用PTC(Positive Temperature Coefficient)自恢復保險絲確保電路安全。PTC自恢復保險絲由經過特殊處理的聚合樹脂及分布在里面的導電粒子組成，在正常操作下自恢復保險絲為低阻狀態。當線路發生短路或過載時，流經自恢復保險絲的大電流產生的熱量使聚合樹脂融化，體積迅速增長，形成高阻狀態，工作電流迅速減小，從而對電路進行限制和保護。當故障排除后，PTC自恢復保險絲重新冷卻結晶，體積收縮，導電粒子重新形成導電通路，自恢復保險絲恢復為低阻狀態，從而完成對電路的保護。

4 結束語

隨著電子技術的不斷發展，穿戴式生理檢測設備的實用性不斷增強，通過采用合適的電源解決方案，可以降低系統功耗、減小體積、改善電池續航能力、提高易用性，使穿戴式生理檢測設備更適合長期連續監測，在科研訓練、家庭保健、個人健康管理等領域有很好的應用前景。

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Power Supply Design of Wearable Physiological Detection Device

Geng Bin,Wang Jie,Ge Hong
(Institute of Aviation Medicine,Beijing,100142)

Introduced three kinds of typical regulated power supply.According to the characteristics of wearable physiological detection device power management,analyzes the key technology to design low power circuit and protect power,presents a power supply design based on low dropout linear regulator MAX8881, wireless charging management chip BQ51013 and resettable fuse.

Power management;Regulated power supply;Low power consumption

R318

B

耿斌（1977-），男（漢族），航空醫學研究所工程師，主要研究方向：電子醫療儀器、短距無線通信技術應用等。

總后勤部重大專項（編號：AKJ11J002）

GengBin,male,(han),engineer of Institute of Aviation Medicine,research interest:medical instrument, short range radio communication technology and its application.