【導(dǎo)讀】隨著人們的健康意識(shí)不斷提高，以及通過(guò)監(jiān)測(cè)來(lái)預(yù)防或治療多種疾病的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，消費(fèi)者也越來(lái)越關(guān)注對(duì)自身健康的監(jiān)測(cè)。例如，糖尿病、肥胖和高膽固醇等健康問(wèn)題越來(lái)越多（這些很大程度上都是生活方式改變導(dǎo)致的），與此同時(shí)，智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備的興起讓消費(fèi)者能夠使用健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用來(lái)幫助他們保持最佳健康狀態(tài)。
隨著人們的健康意識(shí)不斷提高，以及通過(guò)監(jiān)測(cè)來(lái)預(yù)防或治療多種疾病的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，消費(fèi)者也越來(lái)越關(guān)注對(duì)自身健康的監(jiān)測(cè)。例如，糖尿病、肥胖和高膽固醇等健康問(wèn)題越來(lái)越多（這些很大程度上都是生活方式改變導(dǎo)致的），與此同時(shí)，智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備的興起讓消費(fèi)者能夠使用健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用來(lái)幫助他們保持最佳健康狀態(tài)。
以患者為中心的醫(yī)療保健應(yīng)用能夠?yàn)橛脩籼峁┯盟帟r(shí)間、消耗的卡路里數(shù)、身體脫水程度等信息。通常都是借助手機(jī)監(jiān)測(cè)。例如，蘋(píng)果公司表示，iPhone用戶平均每天解鎖手機(jī)80次，因而手機(jī)成為接收和查看生物特征數(shù)據(jù)的理想工具。這為醫(yī)療保健應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員以及便攜式健康監(jiān)測(cè)產(chǎn)品硬件平臺(tái)制造商帶來(lái)龐大的目標(biāo)客戶群。
隨著醫(yī)療健康信息技術(shù)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在醫(yī)生能夠在患者同意的情況下訪問(wèn)獲取患者的數(shù)據(jù)。用戶可以使用手機(jī)獲取常規(guī)檢查報(bào)告，也可以輕松查看放射學(xué)和病理學(xué)報(bào)告，毫無(wú)疑 問(wèn)，這會(huì)大大促進(jìn)以患者為中心的醫(yī)療健康應(yīng)用的普及。圖1所示為一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示例。
圖1. 患者居家治療監(jiān)測(cè)示例
醫(yī)療設(shè)備數(shù)十年來(lái)，ADI公司面向醫(yī)療市場(chǎng)提供各種技術(shù)服務(wù)。我們注意到，低功耗精密元件推動(dòng)了便攜式和無(wú)線醫(yī)療設(shè)備的快速發(fā)展。此類醫(yī)療產(chǎn)品的可靠性、運(yùn)行時(shí)間和耐久性都需要達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)，其中相當(dāng)部分要求都是針對(duì)電源管理系統(tǒng)及其組件。醫(yī)療監(jiān)控產(chǎn)品必須正常運(yùn)行，并且可以在各種電源（例如電池、交流電源插座、超級(jí)電容器，甚至環(huán)境能量收集源）之間無(wú)縫切換。
電源系統(tǒng)架構(gòu)師必須設(shè)計(jì)能夠防止出現(xiàn)故障狀況，且有時(shí)能夠容忍故障狀況的系統(tǒng)，盡可能延長(zhǎng)正常工作時(shí)間（如果使用電池供電），同時(shí)，還要確保只要提供有效電源，該系統(tǒng)就能可 靠、正常地運(yùn)行。
患者護(hù)理方式發(fā)生變化是推動(dòng)便攜式和無(wú)線醫(yī)療設(shè)備不斷發(fā)展的另一個(gè)因素。具體來(lái)說(shuō)，可以歸結(jié)為居家治療的患者越來(lái)越多地使用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。導(dǎo)致這種趨勢(shì)的主要原因是經(jīng)濟(jì)考 量：對(duì)于患者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)而言，住院治療的費(fèi)用高昴，令人望而卻步。這些都促進(jìn)便攜式電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，這種系統(tǒng)內(nèi)置射頻(RF)發(fā)射器，可以將采集的病患數(shù)據(jù)直接發(fā)送給醫(yī)院或醫(yī) 生辦公室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)，供日后查看和分析。
由此可以推斷，為患者提供適用的醫(yī)療設(shè)備，以便居家治療使用，其成本遠(yuǎn)低于患者住院觀察治療的成本。但是，因?yàn)檫@些設(shè)備不是在專業(yè)人員的監(jiān)督下使用，所以確保患者使用的設(shè)備 安全可靠至關(guān)重要。這些產(chǎn)品的制造商和設(shè)計(jì)人員必須確保設(shè)備可以通過(guò)多個(gè)電源無(wú)縫運(yùn)行，并且能夠高度可靠地?zé)o線傳輸采集到的患者數(shù)據(jù)。因此，需要電源管理和轉(zhuǎn)換架構(gòu)可靠、靈 活、緊湊、高效，在寬帶寬范圍內(nèi)保持低噪聲。
功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)
雖然開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲高于線性穩(wěn)壓器，但前者的效率要高得多。事實(shí)證明，如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的行為可預(yù)測(cè)，那么許多噪聲敏感應(yīng)用中的噪聲和EMI水平也可以管控。如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 在正常模式下以恒定頻率開(kāi)關(guān)，并且開(kāi)關(guān)邊沿干凈、可預(yù)測(cè)且沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴，那么EMI將極小。小封裝尺寸和高工作頻率可以提供小而緊湊的布局，從而最大限度地降低EMI輻射。而且，如果穩(wěn)壓器與低ESR陶瓷型電容一起使用，就可以盡量減少輸入和輸出電壓紋波。但是，并不是所有的系統(tǒng)架構(gòu)師都具備全面的開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換相關(guān)背景知識(shí)，可以解決這些噪聲干擾問(wèn)題。
其中許多系統(tǒng)需要使用多個(gè)低壓供電軌來(lái)為低功耗傳感器、存儲(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、I/O和邏輯電路供電；此外，由于系統(tǒng)內(nèi)空氣流動(dòng)或散熱不足，冷卻效果不佳，這些散熱設(shè)計(jì)限制讓系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。
ADI Power產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)與功率專家齊心協(xié)力，利用行業(yè)領(lǐng)先的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)電源解決方案。例如，在醫(yī)療電子系統(tǒng)中，許多應(yīng)用要求即使主電源中斷也要確保連續(xù)供電，因此需要可靠的備用電源。這些系統(tǒng)的備用電源運(yùn)行時(shí)間依賴于主電源中斷之后，正常關(guān)閉該系統(tǒng)所需的時(shí)間。這段時(shí)間可能是幾分鐘，也可能是幾小時(shí)，具體取決于最終應(yīng)用。
解決設(shè)計(jì)限制的全新解決方案
對(duì)于需要高功率、短時(shí)備用電源的系統(tǒng)，超級(jí)電容是非常不錯(cuò)的選擇。任何支持此類應(yīng)用的IC通常都需要能夠在主電源中斷期間支持2.9 V至5.5 V電源軌。超級(jí)電容具備高峰值功率，非常適合短時(shí)間內(nèi)需要高峰值功率備用電源的系統(tǒng)應(yīng)用。
舉例來(lái)說(shuō)，LTC4041使用片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)換器來(lái)提供高效率的降壓超級(jí)電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件用作一個(gè)或兩個(gè)超級(jí)電容單元的降壓充電器，同時(shí)賦予系統(tǒng)負(fù)載以優(yōu)先權(quán)。當(dāng)輸入電源降至可調(diào)電源故障指示(PFI)閾值以下時(shí)，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級(jí)電容向系統(tǒng)負(fù)載提供最高2.5 A的電流。在電源故障期間，該器件的PowerPath™控制功能提供反向阻斷以及從輸入電源到備用電源的無(wú)縫切換。LTC4041的典型應(yīng)用包括在醫(yī)療設(shè)備、電表、工業(yè)警報(bào)和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器中常見(jiàn)的斷電應(yīng)急電源。圖1顯示了一個(gè)典型LTC4041應(yīng)用原理圖。
圖2. 適用于3.3 V系統(tǒng)的LTC4041單個(gè)超級(jí)電容備用電源。
如果使用兩個(gè)超級(jí)電容，那么內(nèi)部超級(jí)電容平衡電路將在每個(gè)超級(jí)電容上保持相同的電壓，并將每個(gè)超級(jí)電容的最大電壓限制為預(yù)定值。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同 時(shí)系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開(kāi)開(kāi)關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源失效指示器和系統(tǒng)電源失效指示器。LTC4041還提供可選的OVP功能，使用外部MOSFET，可以保護(hù)IC不受60 V以上輸入電壓的影響。
對(duì)于散熱和空間受限的醫(yī)療系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，采用緊湊且高效的5 V降壓轉(zhuǎn)換器非常重要，該轉(zhuǎn)換器的高轉(zhuǎn)換效率可以盡可能減少熱限制，實(shí)現(xiàn)極小尺寸解決方案。
LTC3309A專門(mén)針對(duì)空間限制和散熱限制而設(shè)計(jì)。LTC3309A是一款非常小巧的低噪聲單芯片降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠通過(guò)2.25V至5.5V輸入電源，提供最高6 A輸出電流。該器件采用 Silent Switcher®架構(gòu)，配有外部熱回路旁置電容，可以在最高3 MHz 開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)低EMI和高效率。
此外，LTC3309A是一款恒頻電流模式降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。振蕩器會(huì)在每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)打開(kāi)內(nèi)部電源頂部開(kāi)關(guān)。電感電流不斷增加，直到頂部電流開(kāi)關(guān)比較器斷路，并關(guān)閉頂部電源開(kāi)關(guān)。頂部開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)的峰值電感電流由ITH節(jié)點(diǎn)的電壓決定。誤差放大器比較FB引腳上的電壓和內(nèi)部500 mV基準(zhǔn)電壓，據(jù)此管控ITH節(jié)點(diǎn)。負(fù)載電流增加時(shí)，與基準(zhǔn)電壓相關(guān)的反饋電壓會(huì)降低，導(dǎo)致誤差放大器的ITH電壓增高，直到電感的平均電流與新負(fù)載電流匹配。當(dāng)頂部電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，同步電源開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，直到開(kāi)始下一個(gè)時(shí)鐘周期，或者，在脈沖跳躍模式中，直到電感電流降低至零。如果過(guò)載狀況導(dǎo)致過(guò)量電流流過(guò)底部開(kāi)關(guān)，則下一時(shí)鐘周期會(huì)延遲，直至開(kāi)關(guān)電流恢復(fù)到安全水平。如果 EN引腳為低電平，LTC3309A將關(guān)斷，進(jìn)入低靜態(tài)電流狀態(tài)。當(dāng)EN 引腳高于其閾值時(shí)，就會(huì)使能開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。
圖3. LTC3309A應(yīng)用原理圖：由2.25 V至5 V輸入電壓在1.2 V下提供6 A
由于LTC3309A采用恒頻、峰值電流模式控制架構(gòu)，所以能在最低輸出電容下提供快速瞬態(tài)響應(yīng)。500 mV參考電壓可以實(shí)現(xiàn)低電壓輸出，同時(shí)100%占空比運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)低壓降。其他特性包括指示輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)的電源良好信號(hào)、精準(zhǔn)使能閾值、輸出過(guò)壓保護(hù)、熱關(guān)斷、溫度監(jiān)視器、時(shí)鐘同步、模式選擇和輸出短路保護(hù)。該器件采用緊湊的12引腳2 mm × 2 mm LQFN封裝。
結(jié)論
毫無(wú)疑問(wèn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)供居家治療的患者實(shí)施健康監(jiān)測(cè)的便攜式和無(wú)線醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，面臨嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。有許多限制因素必須解決，其中有些因素可能相互沖突。例如，需要散熱但空間受限的外殼，以及要能夠在不干擾或中斷的情況下傳輸數(shù)據(jù)。幸運(yùn)的是，ADI推出的LTC3309A和LTC4041讓設(shè)計(jì)人員獲得了可行的解決方案，可以滿足人們對(duì)小巧、緊湊、高效散熱的解決方案的需求，并且適用于便攜式設(shè)備。
LTC3309A
●高效率：8mΩ NMOS、31mΩ PMOS
●可編程頻率至3MHz
●小型電感和電容
●峰值電流模式控制
●22ns最短導(dǎo)通時(shí)間
●寬帶寬、快速瞬態(tài)響應(yīng)
●Silent Switcher™架構(gòu)
●超低EMI輻射
●低紋波突發(fā)工作模式(Burst Mode®)，IQ為40µA
●過(guò)載時(shí)安全地承受電感飽和
●VIN范圍：2.25V至5.5V
●VOUT范圍：0.5V至VIN
●VOUT精度：超出溫度范圍±1%
●精密400mV使能閾值
●關(guān)斷電流：1µA
●電源正常、內(nèi)部補(bǔ)償和軟啟動(dòng)
●散熱增強(qiáng)型2mm × 2mm LQFN封裝
●通過(guò)AEC-Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證
(來(lái)源：亞德諾半導(dǎo)體）
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