家庭醫療保健

 

在家庭醫療保健方面有大量的設計實(shí)踐。全球老齡化、不 斷壯大的經(jīng)濟力量以及創(chuàng )新為家庭醫療保健領(lǐng)域帶來(lái)了許 多全新應用。對病人而言，好處是更高的靈活性、更好的 服務(wù)以及有望減少就醫次數。雖然家庭醫療保健市場(chǎng)早已 存在，但最近才涌現出越來(lái)越先進(jìn)的面向消費者的解決方 案。這類(lèi)解決方案的示例有：運動(dòng)監護儀、血壓監護儀以 及心率監護儀。另外，便攜式血液分析儀和脈搏血氧儀系 統也進(jìn)入當今家庭醫療保健領(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 要求系統具有高電源效率。在這類(lèi)應用中，較低的功耗可 延長(cháng)器件的工作時(shí)間，而無(wú)需充電或更換電池。最后，成 本也是很重要的規格指標。雖然在其他一些醫療保健應用 中，電源管理解決方案的成本可能不是最重要的規格，但 對家庭醫療保健它很重要。成本約束逐漸成為消費電子市 場(chǎng)的特點(diǎn)。

 

圖1顯示采用鋰離子電池的充電系統的電源鏈。該電源架 構可確保電路的某些部分可以通過(guò)負載開(kāi)關(guān)關(guān)閉(如 ADP190)， 而為實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)供電的其他電路(如ADP160 )始終開(kāi)啟。開(kāi)啟時(shí)，ADP190具有低于2 μA的接地 電流，而ADP160在空載時(shí)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。

 

圖1. 便攜式電池供電型家庭醫療保健器件的典型電源鏈

 

ADP2140 是一款高度集成的降壓開(kāi)關(guān)穩壓器，配合線(xiàn)性穩 壓器使用。該電源管理單元可節省空間和成本。

 

對鋰離子電池充電時(shí)，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(kāi)關(guān)模式充電器，由 于具有許多錯誤檢測和安全功能，因此特別適合醫療應 用。該解決方案完全符合USB 2.0、USB 3.0和USB電池充電 規格1.1，可通過(guò)mini-USB VBUS引腳從墻壁充電器、車(chē)載 充電器或USB主機端口進(jìn)行充電。

 

某些僅供短期使用的低成本便攜式醫療保健系統可能會(huì )圍 繞不可充電的堿性電池而設計。相比常見(jiàn)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 電子設備供電，需要能以高能效轉換此類(lèi)低輸入電壓的升 壓穩壓器。圖2顯示采用ADP1607 作為首個(gè)電源轉換步驟 的應用。該電路能產(chǎn)生3.3 V電壓，滿(mǎn)足大部分系統要求。

 

圖2. 采用單單元堿性電池為便攜式醫療保健系統供電

 

儀器儀表

 

儀器儀表方面的示例應用有：血液分析儀、透析儀和臨床 診斷設備。

 

儀器儀表設備通常為非便攜式設備。這類(lèi)應用的電源管理 要求不像“家庭醫療保健”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，因此不用擔心電源效率。雖 然高集成度無(wú)疑對系統有幫助，但這并非首要考慮因素。 儀器儀表應用通常重視低噪聲性能。開(kāi)關(guān)穩壓器和線(xiàn)性穩 壓器必須具有極低的噪聲，才能進(jìn)行極高精度的測量。

 

通常采用銀匣型AC-DC電源產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)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(gè)微型PMU(電源管理單元)。這款ADP5050采用來(lái)自AC-DC電源的12 V電軌供電。該PMU集成四個(gè)開(kāi)關(guān) 穩壓器以及一個(gè)線(xiàn)性穩壓器。雖然體積緊湊，但它集成了 很多理想功能。單個(gè)降壓穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行同步和相移，以便最大程度地降低輸入線(xiàn)路上的噪聲，并使用小輸 入電容。一個(gè)獨特的特性是兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器能以另外兩個(gè) 穩壓器開(kāi)關(guān)頻率的一半運行。這樣可以保持一個(gè)可預測的 低EMI曲線(xiàn)，同時(shí)允許低功率電軌以較高的開(kāi)關(guān)頻率工作， 并在高功率電軌上使用較低的開(kāi)關(guān)頻率以獲得最高效率。

 

圖3. 提供多電壓和I2C連接性的微型電源管理單元

 

最后，提供I2C接口，以動(dòng)態(tài)地改變輸出電壓、檢查芯片溫 度、設置不同通道的相移、輸出電源良好指示，并使能單 個(gè)通道。這些功能有助于智能儀器儀表系統監視和控制電 源管理。

 

病人監護

 

此類(lèi)系統都是臨床應用?？梢杂糜跍y量血壓，也可用在心 電圖(ECG)和脈搏血氧儀系統中。電源管理通常采用線(xiàn)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(shí)需提供備用電池。當病人轉移到不同的醫 院站點(diǎn)時(shí)，備用電池有助于提供不間斷的生命體征監護。

 

隔離需要符合最嚴格的醫療安全標準，即IEC 60601-1。采用 iCouplers®技術(shù)的數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 化效應以獲得長(cháng)期可靠性，同時(shí)在一個(gè)封裝中集成不同的 半導體功能，如USB、I2C和電源管理開(kāi)關(guān)穩壓器。這些器 件可以增強絕緣，并可承受IEC 60747-5-5標準規定的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(gè)電感，中間為隔離 柵，由聚酰亞胺、二氧化硅(SiO2)或類(lèi)似的隔離材料組成。

 

圖4. 跨越隔離柵的感性數字耦合概念

 

圖5顯示集成iCoupler 功能的典型 isoPower®器件。 isoPower不 僅能通過(guò)隔離柵耦合信號，還能進(jìn)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(gè)數據耦合通道。圖6顯示微芯片封裝內的 系統照片。

 

圖5. 用iCoupler實(shí)現電流絕緣的isoPower 照片

 

圖6. 用iCoupler 設置isoPower數字隔離器

 

成像

 

成像應用歷史久遠。這一領(lǐng)域所取得的進(jìn)步令人嘆為觀(guān) 止。產(chǎn)品團隊包括超聲、CT(計算機斷層)、數字X射線(xiàn)、 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(gè)趨勢。諸如MRI和PET等大型系統極 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。

 

在成像應用中，任何類(lèi)型的系統噪聲(包括開(kāi)關(guān)噪聲甚至 LDO輸出電壓噪聲)都有可能出現在最終圖像中?？赡鼙?現為圖像中常見(jiàn)的誤差線(xiàn)，有時(shí)也表現為對比度、色彩或 灰度等級質(zhì)量的下降。

 

電源可能會(huì )影響圖像檢測或圖像顯示電路。若在成像系統 中兩者都受影響，則最終圖像質(zhì)量將變得無(wú)法接受。有些 醫療成像設備制造商曾使用電源管理模塊，但最終放棄 了。雖然主要規格有保證，但實(shí)際的EMI性能卻無(wú)法得到 保證。對電源模塊的生產(chǎn)過(guò)程作出最輕微的改變都可能造 成圖像質(zhì)量方面的問(wèn)題。為獲得更高水平的控制，完全由 醫療保健成像設計公司開(kāi)發(fā)分立式電源設計并進(jìn)行生產(chǎn)可 能是更好的做法。

 

結論

 

在醫療保健應用中，不同應用領(lǐng)域對電源管理的要求大相 徑庭。我們討論了各個(gè)領(lǐng)域中特定解決方案的要求。在家 庭醫療保健領(lǐng)域，很多解決方案基于A(yíng)SSP(專(zhuān)用標準產(chǎn) 品)，或者基于A(yíng)SIC(專(zhuān)用集成電路)。少量應用可采用現成 電源管理單元標準。在儀器儀表、病人監護和成像應用領(lǐng) 域，電源管理解決方案將進(jìn)一步優(yōu)化，以配合超高精度信 號路徑元件。

 

 

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