您的健康狀況監視器中含有那些資訊?

作者: ADI Power by Linear產品事業部業務開發總監Tony Armstrong


概述

隨著人們的健康意識不斷提高,以及透過監測來預防或治療多種疾病的技術不斷湧現,消費者也越來越關注對自身健康的監測。例如,糖尿病、肥胖和高膽固醇等健康問題越來越多(這些很大程度上都是生活方式改變導致的),與此同時,智慧型手機和穿戴式裝置的興起,也讓消費者能夠透過健康監測應用來協助他們保持在最佳的健康狀態。

以患者為中心的醫療保健應用能夠為用戶提供用藥時間、消耗卡路里數及身體脫水程度等資訊,而這些通常都是借助手機監測。例如,蘋果公司表示,iphone用戶平均每天解鎖手機80次,因而手機便成為接收和查看生物特徵資料的理想工具,而這也為醫療保健應用開發人員,以及可攜式健康監測產品硬體平台製造商帶來了龐大的目標客戶群。

隨著醫療健康資訊技術系統的不斷發展,現在,醫生能夠在患者同意的情況下存取患者的資料。用戶可以使用手機獲取常規檢查報告,也可以輕鬆查看放射學和病理學報告,毫無疑問的,這會大幅促進以患者為中心的醫療健康應用普及。圖1所示為一個監測系統示例。

An example of in-home patient monitoring

圖1. 患者居家治療監測示例。

醫療設備

數十年來,ADI針對向醫療市場提供各種技術服務,我們注意到,低功耗精密元件推動了可攜式和無線醫療設備的快速發展。這一類醫療產品的可靠性、執行時間和耐久性都需要達到很高的標準,其中,有相當的部分要求都是針對電源管理系統及其元件。醫療監控產品必須能正常運行,並且可以在各種電源(例如電池、交流電源插座、超級電容器,甚至環境能量收集源)之間無縫地切換。

電源系統架構者必須設計能夠防止出現故障狀況,且有時能夠容忍故障狀況的系統,盡可能延長正常工作時間(如果使用電池供電),同時,還要確保只要提供有效電源,該系統就能可靠、正常地運行。

患者護理方式發生變化,則是推動可攜式和無線醫療設備不斷發展的另一個因素。具體來說,其可以歸結為居家治療的患者越來越多地使用遠端監測系統。而導致這種趨勢的主要原因,是經濟考量:對於患者和醫療機構而言,住院治療的費用高昴,往往令人望而卻步。而這些都促進著可攜式電子監測系統的發展,這種系統內建射頻(RF)發射器,可以將採集的病患資料直接發送給醫院或醫生辦公室內的監控系統,以供日後的查看和分析使用。

由此可以推斷,為患者提供適用的醫療設備,以便居家治療使用,其成本遠低於患者住院觀察治療的成本。但是,因為這些設備由於不是在專業人員的監督下使用,所以確保患者使用的設備安全可靠是相當重要的。這些產品的製造商和設計人員必須確保設備可以透過多個電源無縫運行,並且能夠高度可靠地無線傳輸採集到的患者資料。因此,需要電源管理和轉換架構可靠、靈活、精小、高效,並且能在寬頻寬範圍內保持低雜訊。

功率轉換架構

雖然開關穩壓器產生的雜訊高於線性穩壓器,但前者的效率高出許多。事實證明,如果開關穩壓器的行為可預測,那麼許多雜訊敏感應用中的雜訊和EMI水準也是可以管控的。如果開關穩壓器在正常模式下以恒定頻率開關,並且開關邊緣乾淨、可預測且沒有過衝或高頻振鈴,那麼EMI將會極小。小封裝尺寸和高工作頻率可以提供小而精小的佈局,進而較大限度地降低EMI輻射。而且,如果穩壓器與低ESR陶瓷型電容一起使用,就可以儘量減少輸入和輸出電壓漣波。但是,並不是所有的系統架構者都具備全面性的開關模式功率轉換相關背景知識,而可以解決這些雜訊干擾問題。

其中,有許多系統需要使用多個低壓供電軌來為低功耗感測器、記憶體、微控制器核心、I/O和邏輯電路供電;此外,由於系統內空氣流動或散熱不足,冷卻效果不佳,這些散熱設計限制讓系統變得更加複雜。

ADI的Power by Linear產品團隊與功率專家協力來運用業界領先的產品開發電源解決方案。例如,在醫療電子系統中,許多應用要求即使主電源中斷也需要確保連續供電,因此需要可靠的備用電源。這些系統的備用電源執行時間依賴於主電源中斷之後,正常關閉該系統所需的時間。這段時間可能是幾分鐘,也可能是幾小時,具體則取決於最終應用的不同。

解決設計限制的全新解決方案

對於需要高功率、短時備用電源的系統,超級電容是非常不錯的選擇。任何支援此類應用的IC通常都需要能夠在主電源中斷期間支援2.9 V至5.5V電源軌。超級電容具備高峰值功率,非常適合短時間內需要高峰值功率備用電源的系統應用。

舉例來說,LTC4041使用晶片內雙向同步轉換器來提供高效率的降壓超級電容充電,以及高電流、高效率的升壓備用電源。當外部電源可用時,該元件可用作一個或兩個超級電容單元的降壓充電器,同時賦予系統負載優先權。當輸入電源降至可調電源故障指示(PFI)閾值以下時,LTC4041切換到升壓工作模式,可以從超級電容向系統負載提供最高2.5 A的電流。在電源故障期間,該元件的PowerPath™控制功能則可提供反向阻斷以及從輸入電源到備用電源的無縫切換。LTC4041的典型應用包括在醫療設備、電錶、工業警報和固態驅動器中常見的斷電應急電源。圖1顯示了一個典型LTC4041應用原理圖。

LTC4041 single supercapacitor backup for 3.3 V system

圖2. 適用於3.3 V系統的LTC4041單個超級電容備用電源。

如果使用兩個超級電容,那麼內部超級電容平衡電路將在每個超級電容上保持相同的電壓,並將每個超級電容的最大電壓限制為預定值。其可調輸入限流功能支援採用限流電源供電,同時系統負載電流優先於電池充電電流。外部斷開開關在備用電源供電期間將主輸入電源與系統隔離開來。該元件並同時具有輸入電流監控功能、輸入電源失效指示器和系統電源失效指示器。LTC4041還提供可選的OVP功能,使用外部MOSFET,可以保護IC不受60 V以上輸入電壓的影響。

對於散熱和空間受限的醫療系統電源設計人員來說,採用精小且高效的5 V降壓轉換器非常重要,該轉換器的高轉換效率可以盡可能減少熱限制,實現極小尺寸解決方案。而 LTC3309A專門針對空間限制和散熱限制而設計,是一款非常小巧的低雜訊單晶片降壓型DC-DC轉換器,能夠通過2.25V至5.5V輸入電源提供最高6 A輸出電流。該元件採用Silent Switcher®架構,配有外部熱迴路旁置電容,可以在最高3 MHz開關頻率下實現低EMI和高效率。

此外,振盪器會在每個時脈週期開始時打開內部電源頂部開關。電感電流不斷增加,直到頂部電流開關比較器斷路,並關閉頂部電源開 關。頂部開關關閉時的峰值電感電流由ITH節點的電壓決定。誤差放大器比較FB針腳上的電壓和內部500 mV基準電壓,據此管控ITH節點。負載電流增加時,與基準電壓相關的回饋電壓會降 低,導致誤差放大器的ITH電壓增高,直到電感的平均電流與新負載電流匹配。當頂部電源開關關閉時,同步電源開關開啟,直到開始下一個時脈週期,或者,在脈衝跳躍模式中,直到電感電流降低至零。如果超載狀況導致過量電流流過底部開關,則下一時脈週期會延遲,直至開關電流恢復到安全水準。

The LTC3309A application schematic delivering 6 A at 1.2 V

圖3. LTC3309A應用原理圖:由2.25 V至5 V輸入電壓在1.2 V下提供6 A。

結論

毫無疑問的,系統設計人員在設計供居家治療的患者實施健康監測的可攜式和無線醫療監測設備時面臨著嚴峻的設計挑戰。有許多限制因素必須解決,其中有些因素甚至可能是相互衝突的。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資料。幸運的是,LTC3309A和LTC4041讓設計人員獲得了可行的解決方案,可以滿足人們對小巧、緊湊、高效散熱的解決方案的需求,並且適用於可攜式設備。