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如何为医疗保健设备选择合适的电源管理系统？

时间：2019-08-14 16:09来源：21Dianyuan

摘要：本文以便携式与非便携式两大类医疗设备为例，对其在设计过程中如何选择恰当的电源管理系统进行了详细阐述，并以全球领先的高性能模拟技术公司亚德诺半导体的多种电源管理系统方案为例说明。

当前我国医疗科技水平不断发展，但公共医疗资源还尚显不足，因此家用医疗设备的应用就具有非常广阔的市场。相较于专业的医疗仪器仪表设备，家用医疗设备在设计考量中，尤其是电源管理系统上必须要根据各自应用特点和要求进行合适选择。本文以便携式与非便携式两大类医疗设备为例，对其在设计过程中如何选择恰当的电源管理系统进行了详细阐述，并以全球领先的高性能模拟技术公司亚德诺半导体的多种电源管理系统方案为例说明。
 
高效率、低功耗与低成本，便携式医疗设备的多重考量
随着医疗保健范围扩大到涵盖新兴技术，在接下来的十年中，医生通常可以使用在线工具监测数百名患者，无需亲自进行体检，这样一来医疗保健系统可以应对越来越多的患者。伴随这一趋势的到来，越来越多的医疗和个人电子产品公司正在采用可穿戴设备来改善住院和门诊治疗阶段患者的治疗效果和提高服务质量。这类解决方案的示例有便携式运动监护仪、血压监护仪、心率监护仪、血液分析仪和脉搏血氧仪等一系列家用可穿戴医疗设备。据产业研究机构Yole预测，全球医疗可穿戴设备市场将以同比31%的速递增长，到2024年将达到320亿美元。
 
医疗可穿戴设备的增长趋势，数据来源：Yole
 
从电源管理角度出发，医疗可穿戴设备由于便携性是必需的，所有这些系统都需要高集成度，并且尽可能采用电池供电，虽然在其他医疗保健应用中，电源管理解决方案可能不是最重要的组成部分，但对可穿戴医疗设备而言却非常重要，高电源效率很关键。在这类应用中，较低的功耗可延长器件的工作时间，而无需充电或更换电池。此外，成本也是此类设备很重要的考虑因素。
 
下图显示了一个典型的采用锂离子电池充电系统的低功耗电源链。该电源架构确保电路的某些部分可以通过负载开关关闭(如ADP190)，而为实时时钟(RTC)供电的其他电路(如ADP160 )始终开启。开启时，ADP190具有低于2μA的接地电流，而ADP160在空载时仅消耗大约560nA的电源电流，这样可将电池的永久放电保持在最低水平。ADP2140则是一款高度集成的降压开关稳压器，配合线性稳压器使用，该电源管理单元可节省空间和成本。
 
便携式电池供电型可穿戴医疗保健器件的典型电源链
 
对锂离子电池充电时，可采用高级电池充电解决方案，如ADP5065，该器件是一款极为高效的开关模式充电器，由于具有许多错误检测和安全功能，因此特别适合医疗应用。该解决方案完全符合USB 2.0、USB 3.0和USB电池充电规格1.1，可通过mini-USB VBUS引脚从墙壁充电器、车载充电器或USB主机端口进行充电。
 
此外，也有某些仅供短期使用的低成本便携式医疗保健系统可能会围绕不可充电的碱性电池而设计。相比常见的双电池供电，使用单电池单元在重量和成本方面更有优势。单碱性电池 系统面临的难题是电池电压范围仅为0.8V至1.5V。为了对电子设备供电，需要能以高能效转换此类低输入电压的升压稳压器。下图则显示采用ADP1607作为首个电源转换步骤的应用，该电路能产生3.3V电压，满足大部分系统要求。
 
采用单单元碱性电池为便携式医疗保健系统供电
 
精度至上，专业级医疗设备的“生命”线
随着现代科学技术的不断进步与先进成果的不断融入，专业级医疗设备在医疗健康事业中的作用也日益彰显，成为大健康产业中最活跃的经济增长点。当前，中国医疗器械市场规模不断扩大，医疗器械出口规模呈现扩大的趋势。据医械研究院报道，中国医疗器械市场规模由2014年的2556亿元增长至2018年的5304亿元，预计2020年中国医疗器械市场规模将超7000亿元。不同于便携式可穿戴医疗设备，专业级医疗器械大多为非便携式仪器仪表设备，例如血液分析仪、透析仪和临床诊断设备等。
 
这类应用的电源管理对诸如功耗与使用时长等诸多因素限制并不敏感，。虽然高集成度无疑对系统有帮助，但这并非首要考虑因素。专业级医疗仪器设备的医学检查结果是临床医疗诊断工作的重要依据，质量好坏、安全可靠性直接关系到患者的生命和健康，更是医院诊疗质量的直接体现，关系着医院的服务信誉和经济及社会效益。因此“精确”就是医疗设备的生命线，此类设备的电源管理也更重视低噪声性能，开关稳压器和线性稳压器必须具有极低的噪声，才能进行极高精度的测量。
 
下图显示的是一个微型电源管理单元，这款ADP5050采用来自AC-DC电源的12 V电轨供电。该PMU集成四个开关稳压器以及一个线性稳压器。虽然体积紧凑，但它集成了很多理想功能。单个降压稳压器的开关频率进行同步和相移，以便最大程度地降低输入线路上的噪声，并使用小输入电容。一个独特的特性是两个开关稳压器能以另外两个稳压器开关频率的一半运行,这样可以保持一个可预测的低EMI曲线，同时允许低功率电轨以较高的开关频率工作，并在高功率电轨上使用较低的开关频率以获得最高效率。
 
提供多电压和I²C连接性的微型电源管理单元
 
最后，提供I²C接口，以动态地改变输出电压、检查芯片温度、设置不同通道的相移、输出电源良好指示，并使能单个通道。这些功能都有助于智能仪器仪表系统监视和控制电源管理。
 
结论
不难看出，在医疗保健应用中，不同领域对电源管理的要求大相径庭。在家庭医疗保健领域，许多便携式可穿戴医疗设备的电源管理解决方案基于ASSP(专用标准产品)，或者基于ASIC(专用集成电路)，少量应用可采用现成电源管理单元标准。而在专业级医疗仪器设备等领域，电源管理解决方案将进一步优化，以配合超高精度信号路径元件，进行极高精度的测量。
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