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医疗电子中的电源管理概论

作者:时间:2017-06-06来源:网络

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/349956.htm

不同的医疗保健应用对解决方案的要求不尽相同。就而言,医疗保健是一个十分有意思的市场领域。尽管医疗保健产品的设计周期非常长,高等级的创新还是不断激发了对医疗保健电子产品的需求。这些创新产品不仅代替了旧有设备,还在新的市场和应用中使用,而数年前尚不存在这些应用领域。本文将讨论四个不同的医疗保健应用领域。它们是家庭医疗保健、应用。

家庭医疗保健

在家庭医疗保健方面存在大量的设计实践。全球范围内的老龄化压力、经济力量的增长以及技术创新为家庭医疗保健领域带来了许多全新应用。对病人而言,带来的好处包括:更高的灵活性、更好的服务以及与医生见面的次数更少。虽然家庭医疗保健市场早已存在,但最近才涌现出面向消费者且越来越先进的解决方案。这类解决方案的示例有:运动监护仪、血压监护仪以及心率监护仪。另外,便携式血液分析仪和脉搏血氧仪系统也进入了当今家庭医疗保健领域。

的角度出发,所有这些系统都由于必要的便携性而对集成度的要求较高。对于真正便携的产品而言,它们将采用电池供电,因此要求系统具有高电源效率。在这类应用中,较低的功耗可延长设备的工作时间而无需充电或更换电池。最后,成本也是个很重要的参数。虽然在某些其它医疗保健应用中,电源管理解决方案的成本可能不是关键参数,但在家庭医疗保健中它十分重要。成本约束对当今的消费电子市场影响深远。

图1显示采用锂离子充电电池系统的电源链。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),而另一部分为实时时钟(RTC)供电的电路则始终开启(如ADP160)。开启时,ADP190具有低于2uA的接地电流,而ADP160在空载时仅消耗大约560nA电源电流。该特性使电池的永久放电保持在最低水平。ADP2140是一款高度集成的降压开关调节器,集成线性调节器。这款电源管理单元可节省空间和成本。



图1:便携式电池供电型家庭医疗保健设备的典型电源链。

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。相比常见的双电池设计,使用单颗电池将在重量和成本方面更有优势。单颗碱性电池系统面临的难题是电池电压范围仅为0.8 V至1.5 V.为了对电子设备供电,必须采用能以高能效处理低输入电压的升压调节器。图2显示采用ADP1607作为第一步电源转换的这类应用。该电路能产生3.3V电压,满足大部分系统要求。

图2:采用单颗碱性电池为便携式医疗保健系统供电。



方面的示例应用有:血液分析仪、透析仪和临床诊断设备。仪器仪表设备通常为非便携式。这类应用对电源管理的要求不如“家庭医疗保健”部分讨论的那样受诸多因素限制。在仪器仪表领域,通常能获得更多的电能,因此对电源效率的要求并不严格。虽然高集成度无疑对系统有帮助,但这并非首要考虑因素。大多数情况下,对于仪器仪表应用而言重要的是低噪声性能。开关调节器和线性调节器必须具有极低的噪声,才能进行精度极高的测量。通常采用银盒型的AC-DC电源产生一个或多个中间电压。随后,这些电轨用于产生更低的电压。

图3显示的是一个微型PMU(电源管理单元)。它是一款ADP5050器件,采用来自AC-DC电源的12V电轨供电。该PMU集成四个开关调节器以及一个线性调节器。虽然体积紧凑,但它集成了很多必要的功能。对单个降压调节器的开关频率一并进行同步和相移处理,以便最大程度降低输入线路上的噪声,并支持采用小数值输入电容。一个独特的特性是可以使两个开关调节器以另外两个调节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尽可能高的效率。

最后很重要的一点是,提供I2C接口,可动态改变输出电压、检查芯片温度、设置不同通道的相移、电源良好指示,并使能单个通道。这些功能有助于智能仪器仪表系统监视和控制电源管理性能。

图3:提供多电压和I2C连接性的微型电源管理单元。



此类系统都属于临床系统。它们用于测量血压,但也可用在心电图(ECG)和脉搏血氧仪系统中。这类电源管理通常采用线路供电,因此只要能处理好散热,能效就不是个大问题。真正重要的是可靠性、出于安全目的的电流隔离以及低噪声。为了增加可靠性,有时提供备用电池。当病人转移到不同的医院时,备用电池有助于提供不间断的生命体征监护。

隔离需要符合最严格的医疗安全标准,即IEC 60601-1.采用iCouplers技术的数字隔离器正取代光耦合器而不影响隔离完整性。这一趋势的优势是避免光耦合器的老化效应以获得长期稳定性,同时以单封装提供不同的半导体功能,如USB、I2C和电源管理开关调节器。这些器件提供加强绝缘性能,能够承受IEC 60747-5-5标准规定的10kV浪涌。iCoupler产品采用芯片级变压器,与光耦合器和基于电容的数字隔离器相比具有非常鲁棒的共模瞬变抗扰度。

图4显示感性隔离概念。隔离栅两侧各有一个电感,由聚酰亚胺、二氧化硅(SiO2)或类似的隔离材料组成。

图4:跨越隔离栅的感性数字耦合概念。

应用

这类应用由来已久。在领域所取得的进步是真正令人叹为观止的。该产品团队包括超声、CT(计算机断层扫描)、数字X射线、MRI(磁共振成像)和PET(正电子发射断层扫描)。在电源管理方面有两个趋势。诸如MRI和PET等大型系统极为耗电,需要用到很多分布式电源。这些电源要求具有一定的效率以便散热良好。

在成像应用中,极有可能任何类型的系统噪声(包括开关噪声甚至LDO输出电压噪声)都会出现在最终图像中。这可能是图像中常见的误差线,但有时也可在对比度、色彩或灰度水平中看到图像质量有所下降。

电源可能会影响图像检测或图像显示电路。若在成像系统中两者都受影响,则图像质量将变得无法接受。有些医疗成像设备制造商以前使用电源管理模块,但最终放弃了。虽然在原则上这些制造商能获得参数规格有保证的产品,但实际的EMI表现无法得到保证。对电源模块的生产过程做出最轻微的改变都可能产生图像质量方面的问题。为获得级别更高的控制,更好的做法可能是完全由医疗保健成像设计公司开发分立式电源设计并进行生产。

结论

在医疗保健应用中,不同应用领域对电源管理的要求可能极为不同。我们讨论了各个领域中特定解决方案的要求。在家庭医疗保健领域,很多解决方案基于ASSP(专用标准产品),甚至基于ASIC(专用集成电路)。少量应用可采用标准现成电源管理单元。在仪器仪表、和成像应用领域,电源管理解决方案将针对超高精度信号路径元器件进一步优化,并担任重要角色。



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