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醫療設備高效電源管理之高性能設計
 

【作者: Mark Patrick】   2020年09月08日 星期二

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可攜式醫療設備硬體設計中相互矛盾的要求,對於工程團隊來說一直是一個巨大挑戰。這些常開(always-on)設備必須能夠以最高效率管理其電池壽命,同時仍需要保持適合於人體尺寸,以確保患者舒適度,尤其是那些需要一天24小時佩戴的設備。


系統需要提供更高水準性能,並具有牢固架構,但同時也應該具有高成本效益。設計中採用的電源管理積體電路(PMIC)需要利用超低功耗架構,以優化健身跟蹤和醫療穿戴式應用中的量測靈敏度,從而實現高訊號雜訊比(SNR)。


無論從普通消費者,還是從醫療保健角度來看,行動網路日益普及已經成為穿戴式技術發展中最重要考量因素之一。穿戴式設備最初設計用於運動和健康,但如今在醫療市場中已經越來越受歡迎。新世代醫療穿戴式設備已經整合了一系列微機電系統(MEMS)感測器,如加速度計、陀螺儀和心率監測器等。隨著時間推移,其他感測器已開始整合到MEMS,可用於確定脈搏變化和皮膚電導等參數,但這些感測器具有本質上SNR問題。為了順應醫療行業發展動態,設計人員需要尋找新的節能解決方案,並將這些解決方案與更好降雜訊技術整合使用。


降低光量測雜訊

各種生物因素都會影響光檢測準確性,設計工程師一直試圖在更多應用領域提供更好SNR來實現最高靈敏度。低靜態電壓穩壓器IC通常需要伴隨使用可降級SNR的元件,例如高幅波紋、低頻波紋和較長建立時間(settling time)元件。


醫療領域一個重要量測參數自然是心率。除了簡單每分鐘心跳次數外,還可以收集關於身體運動對於心跳影響等大量額外資訊,以便對心臟進行監測。一種稱為光體積描記器(PPG)的光學量測方法透過皮下組織中動脈和小動脈膨脹來量測血容量變化,它還可用於確定血液中氧飽和度(SPO2)。


在醫療領域,該技術仰仗佩戴在手指上的夾子實現。PPG透過皮膚(來自放置在一側LED)發射光束,並量測手指內光的透射變化(透過放置在裝置另一側光二極體)。要確保連續可靠心率量測,設計人員面臨幾個問題。其操作有效性取決於若干因素,例如環境光影響,LED和光二極體之間串擾,穿戴式設備在皮膚上的移動等等。


Analog Devices的 ADPD174(參見圖一)是專門針對此類應用的光學子系統。該模組整合了高效光度計前端,三個LED和一個高性能光二極體,以幫助解決上面提到的問題。為了獲得更高可靠性和準確度,以手鐲形式安裝的PPG設備可以進一步減少環境光影響,其中包括採用了窄帶光學濾波器、光訊號調變、電訊號自動增益控制和濾波、以及低紋波電源等功能。



圖一 : Analog Devices公司ADP174功能架構
圖一 : Analog Devices公司ADP174功能架構

優化系統能效與改進光學量測機制兩者之間貌似是一對矛盾。使用全新開關型配置(取代標準LDO穩壓器)可提高效率,同時採用各種電感器來提供正確電源匯流排。電壓調節元件必須具備低高頻波紋,因此它才不會直接干擾心率量測。


LED由於需要在與鋰離子電池不同的電壓範圍內工作,採用新的降壓-升壓轉換器技術可以節省電路板空間,並降低功耗。單電感器多輸出(SIMO)降壓-升壓架構意味著在輸出特定電壓時所需電感器和IC數量最少。


透過下一世代PMIC實現高效電源管理

伴隨個人和遠端監控設備的日益成功,減小尺寸、精確量測參數和延長電池壽命都變得至關重要。穿戴式設備的能效優化策略必須牢固地仰仗基於停機時間(downtime)管理(即只要可能,設備必須處於待機模式)。穿戴式設備的PMIC接受非常低輸入電壓,並且採用高能量密度電池架構。


Maxim Integrated的 MAX20345 PMIC允許系統設計人員最大限度地降低那些需要每天24小時持續運作設備之功耗,其整合式降壓-升壓轉換器能夠為需要更高電壓的眾多系統周邊元件提供便捷供電。該轉換器具有最小化輸出雜訊,因而對敏感醫療監測系統量測影響也最低(參見圖二)。



圖二 : Maxim Integrated的MAX2034功能架構
圖二 : Maxim Integrated的MAX2034功能架構

Texas Instruments開發的TPS6572x系列PMIC成員均整合了電池充電器和高效降壓轉換器,它們允許使用相對較小電感器和電容器,因而能夠實現尺寸更小的解決方案。TPS65720可提供高達200mA輸出電流,而TPS657201、TPS657202和TPS65721均能夠提供高達400mA電流。每個TPS6572x PMIC還整合有一個200mA LDO,其輸入電壓範圍為1.8V~5.6V,使它們可以透過降壓轉換器輸出或直接透過系統電壓供電(參見圖三)。



圖三 : Texas Instruments公司的TPS6572x。
圖三 : Texas Instruments公司的TPS6572x。

Active-Semiconductor公司的ACT81460可提供完整電源管理解決方案,具有超低待機電流,可延長電池壽命。其高效降壓-升壓轉換器能夠為光學心率感測器等各種周邊設備供電,可利用高達2.7V的全部電池容量。每個穩壓器和電池充電器的低靜態電流確保在輕負載條件下(即便在幾乎零負載電流下)具有極高效率,這種狀況通常在穿戴式醫療應用中出現。


高階可攜式技術能夠監控身體活動,收集資料並提供即時回應,這將成為個性化護理的未來,可為患者提供更大便利,同時能提高醫護人員工作效率。身體穿戴式健康監測設備必須具有高精度,高可靠性,且易於管理,使用壽命長,透過採用能夠同時滿足功率預算和SNR需求的PMIC,可以構建所需監控設備,並能夠進一步使社會受益。


(本文作者Mark Patrick任職於貿澤電子)


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