高性能设计成就医疗设备的高效电源管理

March 2, 2023

Fanny Hu

发布于2022-07-28

便携式医疗硬件相互冲突的需求对设计工程团队来说一直是让人头疼的问题。这些常开设备必须能够以高效率管理电池寿命，同时保持适合人体的尺寸以确保患者佩戴舒适，尤其是对于需要每天24小时佩戴的设备。整个系统需要提供高水平的性能、稳健的结构，同时还要有出色的成本效益。作为系统不可或缺的部分，电源管理集成电路（PMIC）需要利用超低功耗的架构来优化健身跟踪和医用可穿戴设备的测量灵敏度，并保持较高的信噪比 (SNR)。

无论从消费者还是医疗保健行业的角度来看，移动网络的日益普及都是可穿戴技术发展的最重要因素之一。起初，可穿戴设备是为运动和健身而设计的，但是如今在医疗市场上也是越来越受欢迎。新一代的医用可穿戴设备集成有一系列微机电系统 (MEMS) 传感器，如加速度计、陀螺仪和心率监测器等。另外还在逐渐添加其他传感器，用于确定脉搏变异性和皮肤电导等参数，但这些传感器都有相关的SNR问题。为了适应医疗行业的不断发展，设计师需要寻找新的节能解决方案，并将其与更好的降噪技术相结合。

减少光学测量中的噪声

各种生物因素会影响光学检测的准确性，设计工程师们一直在设法通过大幅提升SNR来尽量提高各种应用中的测量灵敏度。低静态电流稳压器集成电路通常伴随着对SNR不利的元素，例如高幅值纹波、低频纹波和较长的稳定时间。

众所周知，在医学领域有一个重要的测量参数是心率。除了每分钟的心跳次数之外，还可以收集大量关于心脏表现的其他信息来监测此参数（比如身体活动如何影响心跳频率等）。一种被称为光电容积脉搏波描记法 (PPG) 的光学测量方法，通过皮下组织中动脉和小动脉的扩张来测量血流量的变化。这种方法还可用于测定血液中的氧饱和度 (SPO2)。在医学领域，这项技术通常用戴在手指上的一个夹子实现。这个夹子（从一侧的LED）发出光束穿过皮肤，并（通过另一侧的光电二极管）测量手指内的光传输变化。为确保连续、可靠地测量心率，设计师面临着几个问题。这种设备的工作性能取决于多个因素，如环境光的影响、LED和光电二极管之间的干扰、可穿戴设备在表皮上的移动，等等。

Maxim MAXM86161（图1）是一个完整的单通道光学数据采集系统，封装在超低功耗的模块中。MAXM86161传感器模块专门面向入耳式医疗和移动应用，经优化可监测心率 (HR)、血氧饱和度 (SPO2) ，以及连续监测心率变异性 (HRV)。MAXM86161在发送器端有三个可编程大电流LED驱动器，在接收器端有一个高效PIN光电二极管和一个光学读取通道。光学读取通道设有低噪声信号调理模拟前端 (AFE)，包括19位ADC (模数转换器)、高性能环境光消除 (ALC) 电路，以及栅栏检测和替换算法。

图1：Maxim Integrated MAXM86161的简化版框图。（图源：贸泽电子）

为了优化能效，有时会影响光学测量机制。因此现在使用新型开关配置（而不是标准LDO稳压器）来提高效率，并使用各种电感器来提供正确的电源总线。稳压元件必须提供低幅值的高频纹波，以使其不会直接干扰心率测量。LED的工作电压范围必须不同于锂离子电池提供的电压。引入的新型降压-升压转换器技术不仅能节省电路板空间，还可以抑制能耗。单电感多输出 (SIMO) 降压-升压架构意味着产生输出电压所需的电感器和集成电路数量要少得多。

通过新一代PMIC实现高效电源管理

随着个人和远程监控设备的日益成功，尺寸的减小、参数的准确测量以及电池寿命的延长都变得至关重要。可穿戴设备的能量优化策略必须严格立足于停机时间管理（即，尽量让设备处于待机模式）。可穿戴设备的PMIC接受非常低的输入电压，并在架构中采用高能量密度的蓄能器。

Maxim Integrated的MAX20310是一款紧凑型电源管理集成电路 (PMIC)，适用于非常看重尺寸和效率，且由电池供电的空间受限应用。该器件包含一个单电感多输出 (SIMO) 降压-升压开关稳压器，使用一个电感提供两个可编程电压轨，可以尽量减少占板面积。MAX20310支持低至0.7V的电池电压，可与锌空气电池、氧化银电池或碱性电池搭配使用。该器件的架构支持输出电压高于或低于电池电压。MAX20310还包含一个可编程功率控制器，允许将该器件配置用于要求真关断或随时就绪状态的应用，如便携式医疗设备和可穿戴设备（见图2）。

图2：MAX20345的典型应用电路。（图源：贸泽电子）

Texas Instruments公司开发的TPS6572x系列PMIC成员，每个都集成了电池充电器和高效降压转换器。它们允许使用相对较小的电感器和电容器来实现更小尺寸的解决方案。TPS65720提供高达200mA的输出电流，而TPS657201、TPS657202和TPS65721均提供高达400mA的输出电流。每个TPS6572x PMIC还集成有输入电压范围为1.8V至5.6V的200mA LDO。这使得它们能够由降压转换器的输出供电，或直接由系统电压供电（见图3）。