Tony Armstrong

凌力爾特公司  電源產(chǎn)品部  產(chǎn)品市場(chǎng)總監

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(wú)線(xiàn)醫療儀器出現了快速增長(cháng)。然而，與很多其他應用不同，多數醫療產(chǎn)品的可靠性、運行時(shí)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(lái)的負擔大部分落在電源系統以及與其相關(guān)的支持性組件上。

醫療產(chǎn)品必須正確運行，并在各種電源之間無(wú)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(shí)最大限度延長(cháng)運行時(shí)間，并確保無(wú)論何時(shí)，只要存在有效的電源，系統就能正�？煽康剡\行。

目前促進(jìn)便攜式和無(wú)線(xiàn)醫療儀器增長(cháng)的主要趨勢之一是患者護理，尤其是越來(lái)越多地在患者家中使用遠程監視系統。出現這種趨勢的主要原因純粹是經(jīng)濟性的，也就是說(shuō)，讓患者住院的成本不斷提高，簡(jiǎn)直令人望而卻步。因此，很多這類(lèi)便攜式電子監視系統必須采用 RF 發(fā)送器，以便所收集的任何患者數據都能夠直接發(fā)回醫院中的監察系統，以供主管醫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(guān)察相比，提供給患者合適的醫療儀器供其在家中使用，其成本更低。不過(guò)，供患者在家中使用的設備必須可靠且簡(jiǎn)便易用，這是極為重要的。因此，這類(lèi)產(chǎn)品的制造商和設計師必須確保產(chǎn)品能夠無(wú)縫地用多種電源運行，同時(shí)還要確保非�？煽康貙�無(wú)線(xiàn)數據傳回醫院。這就要求系統設計師設計電源管理架構時(shí)非常謹慎。這種架構必須是堅固、靈活、緊湊和高效率。

潛在問(wèn)題和解決方案

系統設計師在提供無(wú)線(xiàn)傳送功能的系統中使用線(xiàn)性穩壓器這種情況并非不常見(jiàn)。主要原因是，使用線(xiàn)性穩壓器可以最大限度降低 EMI 和噪聲輻射。不過(guò)，盡管開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生的噪聲比線(xiàn)性穩壓器大，開(kāi)關(guān)穩壓器的效率卻遠遠高于線(xiàn)性穩壓器。已經(jīng)證明，在很多敏感型應用中，只要開(kāi)關(guān)行為是可預測的，噪聲和 EMI 水平就是可控的。如果開(kāi)關(guān)穩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(méi)有過(guò)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(shí)現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(kāi)關(guān)穩壓器可以與低 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，而這些紋波是系統中額外的噪聲源。

今天功能豐富的醫療設備的主輸入電源通常采用來(lái)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(jìn)一步將這個(gè)電壓降至 5V 和/或 3.xV 電源軌。不過(guò)，在這些醫療設備中，在運行電壓不斷降低的同時(shí)，內部進(jìn)行后置穩壓的電源軌數量在增加。因此，很多這類(lèi)系統還需要 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，既然醫療設備的正常運行常常是至關(guān)重要的，因此很多醫療設備常常采用電池備份系統，以在其主電源由于某種原因出現故障時(shí)，確保設備正常運行。

傳統上，較低電壓軌一直由降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器或低壓差穩壓器供電。然而，這類(lèi) 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(shí)間。而使用降壓-升壓型轉換器時(shí) (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(cháng)了電池運行時(shí)間，尤其是在接近放電曲線(xiàn)的較低端時(shí)。

顯然，滿(mǎn)足主電池系統應用需求并解決上述相關(guān)問(wèn)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-升壓型電源轉換架構，以在使用各種電池供電電源時(shí)，在其相關(guān)電壓范圍內調節輸出電壓
• 無(wú)論運行時(shí)還是停機時(shí)具備超低靜態(tài)電流，以延長(cháng)電池運行時(shí)間
• 能夠高效地給系統電壓軌供電
• 能夠準確地進(jìn)行庫倫計數而不會(huì )顯著(zhù)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(jìn)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-升壓型轉換器，該器件集成了庫倫計數器，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(guān)剩余電池電量的信息，LTC3335 是為這類(lèi)應用而設計。另外，LTC3335 也適用于將庫倫計數器作為檢查系統故障的手段，以檢測潛在電池組件或負載泄漏。參見(jiàn)圖 1。

圖 1：集成了庫倫計數器的降壓-升壓型轉換器 LTC3335

LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉換器，內置了精確的庫倫計數器，可提供高達 50mA 連續輸出電流。憑借僅為 680nA 的靜態(tài)電流和從低至 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視系統之類(lèi)的應用。其 1.8V 至 5.5V 輸入范圍和 8 個(gè) 1.8V 至 5V 用戶(hù)可選輸出可提供一個(gè)穩定的輸出電源，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) 的庫倫計數器，在長(cháng)壽命、不可再充電電池供電應用中，該計數器可用來(lái)準確監視累計的電池放電量，這類(lèi)應用在很多情況下都有極其平坦的電池放電曲線(xiàn)。LTC3335 包括 4 個(gè)內部低 R_DSON MOSFET，可提供高達 90% 的效率。其他特點(diǎn)包括可編程放電報警門(mén)限、一個(gè)用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)庫倫計數值和器件編程的 I²C 接口、一個(gè)電源良好標記輸出和 8 個(gè)從 5mA 至 250mA 的可選峰值輸入電流，以適應多種類(lèi)型和尺寸的電池。LTC3335 的工作結溫范圍為 -40°C 至 +125°C，采用耐熱性能增強型 20 引線(xiàn) 3mm x 4mm QFN 封裝。

用一個(gè) 24V 或 12V DC 輸入獲得一組低壓軌的另一種方法是，采用一個(gè)具多輸出能力的高壓 DC/DC 轉換器。因此，凌力爾特開(kāi)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(gè)高壓 2.5A 和 1.5A 通道與兩個(gè)較低電壓的 1.8A 通道，以提供 4 個(gè)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(dòng)目前市場(chǎng)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(shí)以突發(fā)模式 (Burst Mode^®) 運行可在無(wú)負載備用條件下保持靜態(tài)電流低于30µA (所有通道均接通)，從而使該器件非常適合電池供電系統。

圖 2：可提供 5V、3.3V、1.8V 和 1.2V 輸出的 LT8602 原理圖

就噪聲敏感型應用而言，僅采用一個(gè)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(kāi)關(guān)噪聲，并可滿(mǎn)足 CISPR25 Class 5 EMI 要求。這使該器件能夠便利地用于無(wú)線(xiàn)傳送數據的系統。

LT8602 的開(kāi)關(guān)頻率可在 250kHz 至 2MHz 范圍內設定，并可在這個(gè)范圍內同步。該器件具60ns 最短接通時(shí)間，能夠以 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率在高壓通道上實(shí)現 16V_IN 至 2.0V_OUT 的降壓轉換。當高壓 V_OUT2 通道向兩個(gè)低壓通道 (V_OUT3 和 V_OUT4) 供電，且這兩個(gè)低壓通道以 2MHz 頻率切換時(shí)，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 x 25mm 面積) 的 4 輸出解決方案，如圖 3 所示。

圖 3：LT8602 四輸出解決方案占板面積

除了最大限度減小解決方案占板面積，LT8602 的 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率還使設計師能夠避開(kāi)關(guān)鍵噪聲敏感頻段。LT8602 的每個(gè)通道在所有條件下都保持僅為 200mV (在 1A) 的最小壓差電壓，從而使該器件能夠在汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)等情況下表現出色。針對每個(gè)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的總體可靠性。LT8602 的 40 引線(xiàn)耐熱性能增強型 6mm x 6mm QFN 封裝和高開(kāi)關(guān)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(shí)現了高效率，而且 LT8602 的電流模式拓撲實(shí)現了快速瞬態(tài)響應和卓越的環(huán)路穩定性。

結論

顯然，設計在家中護理患者的醫療系統時(shí)，無(wú)線(xiàn)醫療儀器的系統架構面臨著(zhù)很多技術(shù)障礙。潛在的噪聲干擾問(wèn)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(mǎn)足這些設計要求。