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)就能正常可靠地運行。
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，同時還要確保非常可靠地將無線數(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范圍內設定，并可在這個范圍內同步。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)就能正常可靠地運行。
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，同時還要確保非常可靠地將無線數(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范圍內設定，并可在這個范圍內同步。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。
