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醫(yī)學(xué)史上的突破:應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的便攜式電源管理方案

發(fā)布時(shí)間:2014-12-02 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】便攜式電源系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用,但是應(yīng)用在醫(yī)學(xué)史上非常稀少。本文的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案適用于便攜式的醫(yī)療設(shè)備,不僅能夠提高系統(tǒng)效率,同時(shí)也能夠降低成本和內(nèi)部溫度。

在醫(yī)師辦公室或醫(yī)院內(nèi)外診斷健康問題的便攜式醫(yī)療設(shè)備迅速增多。在將病人送往醫(yī)院之前,便攜式醫(yī)療保健設(shè)備可幫助醫(yī)療專業(yè)人士監(jiān)控生命體征、恢復(fù)心臟跳動(dòng)、利用超聲檢查體內(nèi)狀況。便攜式醫(yī)療的目標(biāo)是提供易于使用、可互操作并具有診斷價(jià)值的家庭醫(yī)療保健設(shè)備,以便將相關(guān)費(fèi)用納入醫(yī)療保險(xiǎn)范圍。這樣就避免了醫(yī)院出診,降低了醫(yī)療成本。病人在家也可以使用便攜式醫(yī)療設(shè)備來監(jiān)控血壓、肺活量、血糖水平,以及記錄心臟事件。許多此類便攜式醫(yī)療設(shè)備都帶有USB或無線數(shù)據(jù)連接,允許醫(yī)療專業(yè)人員在醫(yī)院和在家不間斷地監(jiān)控病人狀況。同時(shí),Continua Alliance正在制定基于USB、Zigbee和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的互通協(xié)議,這將加速上述通信接口的采用。對(duì)于采用電池供電的便攜式醫(yī)療設(shè)備,提高計(jì)算能力、減小尺寸和延長運(yùn)行時(shí)間的要求使得電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。電源系統(tǒng)對(duì)電池大小、運(yùn)行時(shí)間、待機(jī)時(shí)間、物料(BOM)成本和可靠性均有影響。

便攜式醫(yī)療系統(tǒng)所涵蓋的應(yīng)用極其廣泛,包括血壓監(jiān)控、血糖儀、脈搏血氧儀和超聲應(yīng)用等。一些應(yīng)用要求硬件長時(shí)間工作,而另一些應(yīng)用則要求較短的工作時(shí)間和較長的待機(jī)時(shí)間。雖然終端應(yīng)用千差萬別,但大多數(shù)便攜式系統(tǒng)都可以簡(jiǎn)化為一系列核心功能:傳感器采集數(shù)據(jù),微處理器(帶專用軟件)分析數(shù)據(jù),存儲(chǔ)器存儲(chǔ)軟件和數(shù)據(jù),以及數(shù)據(jù)連接用于訪問結(jié)果。圖1顯示了一個(gè)帶鍵盤和顯示器的典型手持式便攜系統(tǒng)。當(dāng)連接市電時(shí),便攜式系統(tǒng)必須能夠發(fā)揮最大處理能力,同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過多熱量;當(dāng)保持便攜狀態(tài)時(shí),電池使用時(shí)間必須最大化。電池最長使用時(shí)間,即便攜式設(shè)備在需要充電或更換電池前所能工作的時(shí)間,取決于電源系統(tǒng)因素,如電池容量、電源系統(tǒng)效率和電源管理軟件。只有充分利用所有這些因素降低電池消耗,才能使電池壽命達(dá)到最長。大多數(shù)高性能便攜式系統(tǒng)采用3.6V標(biāo)稱輸出的鋰離子充電電池供電。

便攜式系統(tǒng)包含多個(gè)集成電路,各集成電路都有自己的優(yōu)化半導(dǎo)體工藝和工作電壓要求。便攜式應(yīng)用的IC采用比電池更低的工作電壓,因此需要使用降壓調(diào)節(jié)器。當(dāng)今最常用的調(diào)節(jié)器是低壓差(LDO)和降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器,如圖2所示。LDO由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、分壓器和傳輸管(pass transistor)組成。低壓差調(diào)節(jié)器只需使用兩個(gè)外部電容就能用較高直流電壓產(chǎn)生較低直流電壓,十分簡(jiǎn)便。不過,當(dāng)Vin遠(yuǎn)高于Vout時(shí),LDO效率低下,這是因?yàn)槲摧斔偷截?fù)載的功率會(huì)以熱量形式損失。LDO效率約為(Vo/Vin)×100%。LDO無法儲(chǔ)存大量未使用的能量,因此未輸送到負(fù)載的功率以熱量形式在LDO內(nèi)部耗散。例如,連接到3.6V電池的2.6V LDO的效率為72%。此外,當(dāng)要求LDO最大程度地省電時(shí),必須檢查其靜態(tài)電流和使能功能。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作模式與休眠模式之間的空閑模式時(shí),低靜態(tài)電流(Iq)可以減少系統(tǒng)的功耗,從而提高系統(tǒng)的自主性。使能輸入引腳允許LDO關(guān)斷,使休眠模式下的功耗不到1 μA,從而延長電池使用時(shí)間。例如,ADP150就是一款出色的低靜態(tài)電流LDO。

醫(yī)學(xué)史上的突破:應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的便攜式電源管理方案
圖1. 通用手持便攜式系統(tǒng)

當(dāng)電源電壓比工作電壓高得多時(shí),開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器是更好的選擇,它能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率,因?yàn)樵趯⒁粋€(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)直流電壓時(shí),它能夠?qū)⒛芰颗R時(shí)儲(chǔ)存在電感的磁場(chǎng)中,然后釋放給負(fù)載。便攜式開關(guān)調(diào)節(jié)器以500 kHz到3 MHz的頻率工作。DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。內(nèi)置開關(guān)元件的同步降壓型調(diào)節(jié)器用于輸出電壓遠(yuǎn)低于輸入電壓的場(chǎng)合,在便攜式系統(tǒng)中最為常用。用降壓調(diào)節(jié)器替換LDO可以提高系統(tǒng)效率。例如,當(dāng)利用LDO將系統(tǒng)電壓從3.6 V降至1.2 V,為負(fù)載電流為300 mA的微處理器內(nèi)核供電時(shí),LDO效率約為1.2V/3.6V × 100% = 33%,67%的輸入功率以熱量形式損失。為了提高效率并降低工作溫度,應(yīng)當(dāng)用ADP2108等降壓轉(zhuǎn)換器取代LDO。降壓轉(zhuǎn)換器能將能量?jī)?chǔ)存在電感的磁場(chǎng)中,因而效率更高。使用ADIsimPower?可知,在相同條件下ADP2108的效率為80%,比LDO提高47%。設(shè)計(jì)工程師會(huì)發(fā)現(xiàn),ADP2108尺寸較小,僅使用兩個(gè)去耦電容和一個(gè)1 μH芯片電感,幾乎可以直接取代LDO。選擇降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)需要考慮的其它省電特性包括:低靜態(tài)電流、使能功能以及負(fù)載電流較小情況下的省電模式。

醫(yī)學(xué)史上的突破:應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的便攜式電源管理方案
圖2. LDO和降壓轉(zhuǎn)換器的功能框圖

為使電池使用時(shí)間達(dá)到最長,除了優(yōu)化便攜式系統(tǒng)硬件效率以外,還必須優(yōu)化電源管理軟件。運(yùn)行復(fù)雜的專用軟件對(duì)計(jì)算能力提出了更高要求,需要使用高耗電量的高速微處理器。降低處理器速度可以降低功耗,延長電池運(yùn)行時(shí)間,但軟件性能會(huì)下降。系統(tǒng)架構(gòu)師可以通過選擇最適合應(yīng)用的處理器速度來提高系統(tǒng)效率。便攜式系統(tǒng)的另一種省電方法是關(guān)斷不用的子系統(tǒng),如微處理器、顯示器背光、數(shù)據(jù)端口和處于測(cè)量間隙的傳感器,使用調(diào)節(jié)器的使能輸入或ADP190/ADP195等負(fù)載開關(guān)來隔離電池,如圖1所示。

設(shè)計(jì)便攜式電源系統(tǒng)時(shí),并不存在萬用的解決方案。延長電池使用時(shí)間的方法有許多種,某種方法可能優(yōu)于其它方法。本文所述的技術(shù)同時(shí)適用于便攜式和市電供電的醫(yī)療設(shè)備,能夠提高系統(tǒng)效率,降低內(nèi)部溫度和運(yùn)行成本。

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