適用于電池供電醫(yī)療儀器的先進(jìn)轉(zhuǎn)換器

低功率、高精度組件已經(jīng)促使便攜式和無線醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。不過，與其他很多應(yīng)用不同，這類醫(yī)療產(chǎn)品的可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性標(biāo)準(zhǔn)一般會高得多。這種高標(biāo)準(zhǔn)帶來的負(fù)擔(dān)大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件身上。醫(yī)療產(chǎn)品必須在各種電源供電時(shí)正確運(yùn)行，并在這些電源之間無縫切換，例如 AC 電源、備份電池、甚至收集的環(huán)境能源。此外，必須竭盡全力地保護(hù)醫(yī)療產(chǎn)品的安全，以免因各種故障而損壞，并使其對各種故障情況有一定的承受能力。在采用電池供電時(shí)，要能夠最大限度延長醫(yī)療設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，而且無論何時(shí)，只要存在有效電源，系統(tǒng)就能正常、可靠地運(yùn)行。

目前促使便攜式和無線醫(yī)療儀器增長的主要趨勢之一是患者護(hù)理，尤其是越來越多地在患者家中使用遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。從本質(zhì)上看，在患者家中使用遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿兇馐浅鲇诮?jīng)濟(jì)原因，因?yàn)樽尰颊咦≡旱某杀緦?shí)在高得令人望而卻步。為此，很多便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)必須納入 RF 發(fā)送器，這樣從患者監(jiān)視系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)就能夠方便地直接發(fā)送到醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)察系統(tǒng)中，以供主管醫(yī)生稍后查閱和分析。

考慮到上述情況，可以合理假定，提供合適的醫(yī)療儀器供患者在家中使用與讓患者住院使用這些醫(yī)療儀器相比，前者成本更低。不過，非常重要的是，患者使用的設(shè)備不僅要可靠，還要安全!因此，制造商和設(shè)計(jì)師必須確保，這類醫(yī)療產(chǎn)品能夠無縫地用多種電源運(yùn)行 (包括備份電源)，并確保所收集的患者數(shù)據(jù)有很高的可靠性，以及確保無線數(shù)據(jù)傳送具 99.999% 的完整性。這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師確保所使用的電源管理架構(gòu)不僅堅(jiān)固、靈活，而且緊湊和高效。這樣，才能同時(shí)滿足醫(yī)院和患者的需求。

幸運(yùn)的是，有一些模擬器件公司專注于產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)專長針，對這些問題提供了解決方案。因?yàn)樵卺t(yī)療電子系統(tǒng)中有很多應(yīng)用需要連續(xù)供電，甚至在交流供電系統(tǒng)中斷時(shí)也有此需要，那么關(guān)鍵要求就是低靜態(tài)電流以延長電池壽命。因此，通常需要備用靜態(tài)電流低于 10mA 的開關(guān)穩(wěn)壓器。實(shí)際上，有些新型系統(tǒng)結(jié)合使用電池和能量收集系統(tǒng)作為其主電源，這類系統(tǒng)要求靜態(tài)電流在幾微安范圍內(nèi)，甚至在有些情況下要求在幾納安范圍。對開關(guān)穩(wěn)壓器而言，要想用于這類患者“在家中使用”的醫(yī)療電子系統(tǒng)，低靜態(tài)電流是必要的先決條件。

盡管開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲比線性穩(wěn)壓器大，但是開關(guān)穩(wěn)壓器的效率高得多。在很多敏感型應(yīng)用中，只要開關(guān)行為是可預(yù)期的，噪聲和 EMI 水平就是可控，這一點(diǎn)已經(jīng)得到了證明。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常工作模式下以恒定頻率切換，而且切換波形的邊沿是干凈和可預(yù)期，沒有過沖或高頻振鈴，那么 EMI 就可以得到最大限度降低。如果封裝尺寸很小、工作頻率很高，就可以構(gòu)成小型和緊湊的布局，這也最大限度降低了 EMI 輻射。此外，如果穩(wěn)壓器可與低 ESR 陶瓷電容器一起使用，那么輸入和輸出電壓紋波都可以得到最大限度減小，這種紋波也是系統(tǒng)中的附加噪聲源。

在今天功能豐富的患者監(jiān)視醫(yī)療設(shè)備中，電源軌的數(shù)量在增加，同時(shí)工作電壓在不斷降低。然而，這類系統(tǒng)很多仍然需要 3V、3.3V 或 3.6V 電壓軌，以給低功率傳感器、內(nèi)存、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。此外，既然保持這類設(shè)備正常運(yùn)行有時(shí)是至關(guān)重要，因此很多設(shè)備都有備份電池系統(tǒng)，以防給設(shè)備供電的主電源中斷。

傳統(tǒng)上，由降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器為這類設(shè)備提供電壓軌。然而，這類 IC 無法利用電池的整個(gè)運(yùn)行范圍，因此縮短了設(shè)備電池的潛在運(yùn)行時(shí)間。而使用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 (可以升高電壓或降低電壓) 時(shí)，可以利用電池的整個(gè)運(yùn)行范圍。這延長了可用電池壽命，因此提高了運(yùn)行裕度，延長了電池運(yùn)行時(shí)間，尤其是運(yùn)行在靠近放電曲線的較低端時(shí)。

顯然，要滿足主電池系統(tǒng)應(yīng)用需求并解決上述有關(guān)問題，任何 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案都應(yīng)該具備以下特性：

· 具很寬輸入電壓范圍的降壓-升壓型 DC/DC 架構(gòu)，以通過各種電池供電電源以及在其相關(guān)的電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié) V_OUT

· 在工作模式和停機(jī)時(shí)都具備超低靜態(tài)電流，以延長電池運(yùn)行時(shí)間

· 能夠高效率地給系統(tǒng)電壓軌供電

· 能夠在對 IC 靜態(tài)電流 (電量消耗) 沒有顯著影響的條件下準(zhǔn)確地進(jìn)行庫倫計(jì)數(shù)，以確定剩余電池充電狀態(tài)

· 電流限制，以衰減浪涌電流，保護(hù)電池安全

· 占板面積很小、輕巧和扁平的解決方案

· 先進(jìn)的封裝以改善熱性能和空間利用率

為了提供具備上述特性的解決方案，凌力爾特公司不久前推出集成了庫倫計(jì)數(shù)器的毫微功率 LTC3335 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。該器件為需要低靜態(tài)電流以及需要了解剩余電池電量信息的主電池應(yīng)用而設(shè)計(jì)?；蛘撸谟行?yīng)用中，庫倫計(jì)數(shù)器作為一種系統(tǒng)故障檢查手段，可以檢測潛在電池組件或負(fù)載泄漏，該器件也適用于這類應(yīng)用。參見圖 1。

圖 1：集成了庫倫計(jì)數(shù)器的 LTC3335 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器

Battery：電池

Coulomb Counter：庫倫計(jì)數(shù)器

Buck-Boost Converter：降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器

Load：負(fù)載

LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，具精確的內(nèi)置庫倫計(jì)數(shù)器，提供高達(dá) 50mA 連續(xù)輸出電流。該器件的靜態(tài)電流僅為 680nA，可編程峰值輸入電流從低至 5mA 直至高達(dá) 250mA，因此非常適合多種低功率電池應(yīng)用，例如配備備份電池的便攜式健康監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用。該器件的輸入范圍為 1.8V 至 5.5V，提供 1.8V 至 5V 的 8 個(gè)用戶可選輸出，在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時(shí)，提供穩(wěn)定的輸出。此外，長壽命非可再充電電池供電的應(yīng)用在很多情況下電池放電曲線都極度平坦，在這類應(yīng)用中，該器件集成的精確庫倫計(jì)數(shù)器 (±5% 電池放電測量準(zhǔn)確度) 可提供準(zhǔn)確的監(jiān)視累計(jì)電池放電量。LTC3335 包含 4 個(gè)內(nèi)部低 R_DSON MOSFET ，可提供高達(dá) 90% 的效率。其他特點(diǎn)包括可編程放電報(bào)警門限、用于存取庫倫計(jì)數(shù)值和設(shè)定器件的 I²C 接口、Power Good 輸出、以及為適合多種類型及尺寸的電池提供從 5mA 直至 250mA 的 8 種可選峰值輸入電流。