광혈류 측정(PPG) 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용 전원장치 서브시스템 – 2부
광혈류 측정(PPG) 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용 전원장치 서브시스템 – 2부
글: 펠리페 네이라(Felipe Neira) 애플리케이션 트레이닝 및 기술 서비스 담당 선임 테크니컬 스태프(MTS), 마크 스미스(Marc Smith) 애플리케이션 담당 수석 테크니컬 스태프(MTS) / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
개요
총 2부로 구성되는 이 글에서는, 뛰어난 시스템 신호대 잡음비 성능이 요구되는 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용으로 설계 및 검증된 스위치 모드 전원 회로 설계를 소개한다. 1부에서는 최상의 성능을 달성하도록 설계된 디스크리트 솔루션에 관해서 설명하고, 2부에서는 공간 제약적 애플리케이션용으로 적합하게 설계된 집적화된 솔루션에 관해서 설명한다.
이 글에서는 다음과 같은 주제들을 다룬다:
- 광혈류 측정(photoplethysmogram, PPG) 시스템에 적합한 전원장치 구성 및 선택 방법
- 스위치 모드 전원장치(SMPS) 레퍼런스 회로 구현 방법으로서 디스크리트 설계(1부)와 통합 설계(2부) 방식 비교
- 서로 다른 활용 사례와 부하 조건에서 시스템을 검증하기 위한 전원장치 성능 테스트 방법론
- 회로 구현을 검증하기 위한 체크리스트
- 회로 구현과 관련하여 발생하는 문제들에 대한 해결 방안
총 2부로 구성되는 이 연재물에서는 뛰어난 시스템 신호대 잡음비(SNR) 성능이 요구되는 광혈류 측정(photoplethysmogram, PPG) 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용으로 개발 및 검증된 전원장치 회로 설계를 소개한다. PPG 장비는 혈류량 변화를 측정함으로써 이로부터 혈중 산소포화도나 심박수 같은 생체지표 정보를 도출할 수 있다. 1부에서는 아나로그디바이스(Analog Devices, ADI)의 MAX86171광학식 맥박 산소포화도 측정 및 심박수 센서 아날로그 프론트 엔드(AFE)를 기반으로 한 PPG 장비에서 최상의 성능을 달성하도록 설계된 디스크리트 전원장치 회로 설계 솔루션에 대해서 설명했다. 2부에서는 MAX86141광학식 맥박 산소포화도 측정 및 심박수 센서 AFE(MAX86171과도 함께 사용 가능)를 사용하여 공간 제약적 애플리케이션에 적합하도록 설계된 통합 솔루션을 소개한다.
1부에서도 언급했듯이 ADI는 설계 엔지니어의 개발 작업을 간소화할 수 있게, 각각의 바이오센싱 AFE 디바이스에 대해서 신호대 잡음비(SNR) 성능을 보장하면서 자체적으로 성능이 검증된 전원장치 서브시스템 회로 설계를 제공한다. 1부에서는 디스크리트 솔루션에 대해서 설명했고, 이제 2부에서는 공간 제약적 애플리케이션용으로 적합한 통합 솔루션에 대해서 설명한다.
각각의 사례별 전원장치 회로를 소개하고 그에 따른 검증 시의 체크리스트와 문제 해결 지침들을 설명한다. 그림 1은 원격 환자 모니터링 애플리케이션의 표준 전원 블록 다이어그램을 보여준다.
| 입력 | 출력(VDIG, VANA, VLED) | 출력, RTO | ||
| VIMIN | VIMAX | VOMIN | VOMAX | Vp-p(max) |
| 3.0 V1 | 4.2 V1 | 1.6 V | 2.0 V | 30 mV p-p |
| 2.0 V2 | 3.4 V2 | 1.6 V | 2.0 V | 30 mV p-p |
| 4.7 V | 5.3 V | 20 mV p-p | ||
1이차 전지 (LiPo)
2일차 전지 (리튬 코인셀)
| 설계 구성 | 배터리 구현 | 보드 레이아웃 고려사항 |
| 디스크리트 설계 | 일차 전지 (코인셀) 이차 전지 (Li 및 LiPo) | 디스크리트 디바이스들을 사용한 회로 구현 |
| 집적화 설계 | 이차 전지 (Li 및 LiPo) | 단일 IC를 사용하여 보드 면적 최소화
이차 전지만 지원 |
집적화 설계
이 DC-DC 전원 관리 IC(PMIC) 설계는 단일 IC를 사용하여 원격 환자 생체지표 모니터링 시스템에 사용하도록 3개의 출력 레일을 지원한다. 이 IC는 단일-인덕터를 이용한 다중-출력(SIMO) 벅-부스트 레귤레이터를 제공하는 특징을 가지며, 단일 인덕터로 여러 전원 레일을 제공할 수 있으므로 총 전원 솔루션 크기를 최소화하면서도 우수한 효율의 솔루션을 제공한다.
이 회로는 라인 및 부하 레귤레이션을 하면서, 바이오센서의 신호대 잡음비(SNR) 성능을 방해하지 않도록 낮은 출력 잡음을 유지한다. 또한 재충전가능 리튬 폴리머 배터리를 사용하여 동작 가능하며, 그림 2는 집적화된 전원 디바이스를 사용한 PPG 서브시스템을 보여준다.
| 표기 | 부품 | 설명 |
| U1 | DC-DC 컨버터 | 전력 변환기 (MAX77642) |
| L1 | 2.2μH 인덕터 | 낮은 등가직렬저항(ESR) 인덕터 (에너지) 저장 소자1 |
| C1 | 22 μF 커패시터 | 낮은 ESR 커패시터 (에너지) 저장 소자 |
L1과 C1은 DC-DC 컨버터(SMPS)성능에 결정적인, 특별히 선택된 수동 소자들이다.
PMIC를 사용하는 1.8V/1.8V/5.0V SMPS 회로
아래 회로는 MAX77642 PMIC를 사용한 것으로서, 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에서 SMPS 디바이스를 적절히 작동시키기 위한 통상적인 입력 및 출력 레벨을 보여준다. 그림 3에서 보듯이, 디지털 멀티미터(DMM)를 사용하여 입력 포트와 출력 포트를 탐침해서 전압을 측정할 수 있다. 이 전원장치 출력 레벨은 배터리 방전과 가변 부하(예: 디바이스 모드 전환, 슬립 모드로부터 기동 등) 같은 여러 요인들에 의해 달라질 수 있다.
1.8V/1.8V/5.0V SMPS 회로 검증을 위한 체크리스트
그림 4는 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에서, 집적화된 MAX77642 PMIC를 어떻게 사용하는지 보여준다.
1.8V/1.8V/5.0V SMPS 회로 검증을 위한 체크리스트
아래 표의 체크리스트에 따라서, MAX77642 디바이스를 사용한 1.8V/1.8V/5.0V SMPS 회로가 바이오센싱 회로 부하에 대해서 어떻게 작동하는지 검증할 수 있다.
| 단계 | 검사 항목 | 검사 방법 | 측정 | 도움이 필요할 때? |
| 1 | 입력 DC 전원 공급 장치 검사
LP401230 LiPo 배터리 |
배터리 전압 측정 | 판독 범위: 3.0 V to 4.2 V |
문제 해결 가이드 |
| 2 | 입력 DC 전원 공급 장치 검사 LP401230 LiPo 배터리 |
CIN상의 전압 측정 | 판독 범위: 3.0 V to 4.2 V |
|
| 3 | VOUTDC 레벨 검사 | GND를 참조해서 SBB1 출력 DC 전압 측정 | 아날로그 1.8V 판독 범위: 1.71V – 1.89V |
|
| 4 | GND를 참조해서 SBB0 출력 DC 전압 측정 | 디지털 1.8V 판독 범위: 1.71V – 1.89V |
||
| 5 | GND를 참조해서 SBB2 출력 DC 전압 측정 | VLED 5.0 V
판독 범위: 4.75 V – 5.25 V |
||
| 6 | 아날로그 1.8V 출력 잡음 레벨 검사 | 피그 테일 10x 싱글 엔디드 프로브 또는 차동 능동 프로브를 사용해서 C5탐침 | 리플 잡음 레벨은
20 mV p-p 미만이어야 함 |
|
| 스위치 스파이크는 30 mV p-p 미만이어야 함 |
||||
| 7 | 디지털 1.8V 출력 잡음 레벨 검사 | 피그 테일 10x 싱글 엔디드 프로브 또는 차동 능동 프로브를 사용해서 C4탐침 | 리플 잡음 레벨은 20 mV p-p 미만이어야 함 |
|
| 스위치 스파이크는 30 mV p-p 미만이어야 함 |
||||
| 8 | 아날로그 5.0V 출력 잡음 레벨 검사 | 피그 테일 10x 싱글 엔디드 프로브 또는 차동 능동 프로브를 사용해서 C6탐침 | 리플 잡음 레벨은 20 mV p-p 미만이어야 함 |
|
| 스위치 스파이크는 30 mV p-p 미만이어야 함 |
1.8V/1.8V/5.0V SMPS 회로의 문제 해결 가이드
아래 회로의 문제 해결 가이드(그림 5)는 1.8V/1.8V/5.0V SMPS 회로를 작동했을 때 문제가 발생할 경우 설계 엔지니어에게 도움을 주기 위한 것으로서, 이들 집적화된 스위치 모드 전원공급 장치(SMPS)를 구현할 때 발생할 수 있는 가장 일반적인 문제들을 다루고 있다.
MAX77642 SMPS 회로의 문제 해결:
1단계 – 입력 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 디지털 멀티미터(DMM)를 사용해서 MAX77642 디바이스 입력 전압을 측정한다. ‘검정색’ 마이너스 리드는 접지에 연결하고, ‘빨간색’ 플러스 리드는 이 디바이스의 입력 “IN” 핀에 연결한다. 이 입력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 리드들을 입력 커패시터 CIN에 연결한다.
아래 표를 활용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:
| 입력 전압 판독 | 가능한 원인 | 조치 | 비고 |
| 0V/판독 불가 | 배터리가 충전되지 않았다. 배터리에 문제가 있다. |
배터리 연결을 해제하고, 전압을 측정한다. 0V로 측정되면 배터리를충전한다. | 배터리가 충전되지 않으면 배터리를 교체한다. |
| 배터리가 연결되지 않았다(IN 또는 GND 라인). | 배터리 연결을 해제하고, 배터리 커넥터에서 디바이스 입력으로 전도가 되는지 확인한다. | PCB에 개방이 발생했을 수 있다. | |
| 입력 커패시터가 접지로 단락되었다. | 배터리 연결을 해제하고, 커패시터가 도통되는지 확인한다. | PCB에 단락이 발생했을 수 있다. | |
| 2.8V 미만 | 배터리 충전 수준이 낮다. 배터리에 문제가 있다. | 배터리 연결을 해제하고, 전압을 측정한다. 2.8V 미만으로 확인되면 배터리를 충전한다. | 배터리가 충전되지 않으면 배터리를 교체한다. |
| 2.8V~4.2V | 조치 불필요 | 정상 작동 | |
| 4.2V 이상 | 배터리에 문제가 있다. | 배터리를 교체한다. |
2단계 – 인덕터 신호 파형 확인: 오실로스코프 또는 디지털 저장 스코프(DSO)를 사용해서 MAX77642 디바이스의 LXA 핀을 탐침한다. 이 입력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 프로브를 (LXA) 인덕터 끝에 있는 커패시터에 연결한다.
* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz이어야 한다.
이 회로가 정상적으로 작동한다면 파형은 그림 6에서 보이는 것처럼 상승 및 하강 에지 상에 최소한의 링잉을 갖는 일련의 펄스파의 모습일 것이다.
펄스 파형을 보면, 3개의 SMPS가 하나의 인덕터를 공유해서(SIMO 전원공급) 시간 분할 다중화로 동작한다는 것을 알 수 있다.
이상적인 펄스파형과 비교했을 때 나타나는 차이점을 이용해 많은 문제들을 효과적으로 진단 및 해결할 수 있다.
아래 표를 활용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:
| 입력 파형 | 가능한 원인 | 조치 | 비고 |
| 진폭이 적정하지 않다. | 인덕터가 개방되었다. IN 핀이 개방되었다. | 배터리 연결을 해제하고, DMM을 사용해서 모든 연결 지점들을 확인한다. | 필요하다면 PCB를 수리한다. |
| 듀티 사이클이 적정하지 않다(펄스들이 빠져 있다). | |||
| SSB0 펄스가 잡히지 않는다. | EN0이 GND에 단락되었다. | SSB0 출력이 0V인지 확인한다. 배터리 연결을 해제하고, EN0 핀에서 GND로 전도가 되는지 확인한다. | PCB에 단락이 발생했을 수 있다. |
| SSB1 펄스가 잡히지 않는다. | EN1이 GND에 단락되었다. | SSB1 출력이 0V인지 확인한다. 배터리 연결을 해제하고, EN0 핀에서 GND로 전도가 되는지 확인한다. | PCB에 단락이 발생했을 수 있다. |
| SSB2 펄스가 잡히지 않는다. | EN2가 접지에 단락되었다. | SSB2 출력이 0V인지 확인한다. 배터리 연결을 해제하고, EN0 핀에서 GND로 전도가 되는지 확인한다. | PCB에 단락이 발생했을 수 있다. |
| 듀티 사이클이 적정하지 않다(펄스 폭이 적정하지 않다). | 출력 전압 선택 저항이 적정하지 않다. 디바이스에 문제가 있다. | 부적절한 PW에 해당하는 SSBx 채널을 식별하고 아래의 단계에 따라서 검사한다. | |
| SSB0 PW가 적정하지 않다. | RSET_SSB0 핀이 개방되었다. (SBB0 VO = 0.5 V) |
배터리 연결을 해제하고, GND에 대해서 40.2KΩ인지 확인한다. | 저항이 불량하거나 적정하지 않다. PCB에 단락이 발생했을 수 있다. |
| RSET_SSB0 핀이 개방되었다. (SBB0 VO = 5.2 V) |
배터리 연결을 해제하고, 저항에서 RSET_SSB0 핀으로 전도가 되는지 확인한다. | PCB로 개방이 발생했을 수 있다. 솔더 접속이 불량하다. | |
| RSET_SSB0 저항 값이 적정하지 않다. | 배터리 연결을 해제하고, GND에 대해서 40.2KΩ인지 확인한다. | 설치된 저항이 불량이거나 적정하지 않다. | |
| SSB1 PW가 적정하지 않다. | RSET_SSB1이 GND로 단락되었다. (SBB1 VO = 0.5 V) |
배터리 연결을 해제하고, GND에 대해서 28KΩ인지 확인한다. | 저항이 불량하다(단락되었다). PCB에 단락이 발생했을 수 있다. |
| RSET_SSB1 핀이 개방되었다. (SBB1 VO = 5.2 V) |
배터리 연결을 해제하고, 저항에서 RSET_SSB1 핀으로 전도가 되는지 확인한다. | PCB에 개방이 발생했을 수 있다. 솔더 접속이 불량하다. | |
| RSET_SSB1 저항 값이 적정하지 않다. | 배터리 연결을 해제하고, GND에 대해서 28KΩ인지 확인한다. | 설치된 저항이 불량이거나 적정하지 않다. | |
| SSB2 펄스가 잡히지 않는다. | RSET_SSB2가 GND로 단락되었다. (SBB2 VO = 0.5 V) |
배터리 연결을 해제하고, GND에 대해서 536KΩ인지 확인한다. | 저항이 불량하다(단락되었다). PCB에 단락이 발생했을 수 있다. |
| RSET_SSB2 핀이 개방되었다. (SBB2 VO = 5.5V) |
배터리 연결을 해제하고, 저항에서 RSET_SSB2 핀으로 전도가 되는지 확인한다. | PCB에 단락이 발생했을 수 있다. 솔더 접속이 불량하다. | |
| RSET_SSB2 저항 값이 적정하지 않다. | 배터리 연결을 해제하고, GND에 대해서 536KΩ인지 확인한다. | 설치된 저항이 불량이거나 적정하지 않다. | |
| 파형 왜곡이 발생한다. 상승 에지가 둥글게 된다. | 인덕터 배선이 불량하다. | 인덕터 배선을 다시 한다. 인덕터를 교체한다. | 배선 불량은 높은 라인 저항을 발생할 수 있다. |
3A 단계 – 출력 DC 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 DMM을 사용해서 MAX77642 디바이스의 3개 출력에서 전압을 측정한다. ‘검정색’ 마이너스 리드는 접지에 연결하고, ‘빨간색’ 플러스 리드는 이 디바이스의 해당 SSBx 채널 출력 “OUT” 핀에 연결한다. 이 출력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 리드들을 출력 커패시터 COUT에 연결한다.
아래 표를 활용해 SSB0 (1.8 VDC) 출력과 관련한 문제를 진단 및 해결할 수 있다:
| 출력 전압 판독 | 가능한 원인 | 조치 | 비고 |
| 0V/판독 불가 | SSB0에서 COUT으로 연결이 되지 않았다. | 배터리 연결을 해제하고, 출력에서 COUT으로 전도가 되는지 확인한다. | PCB에 개방이 발생했을 수 있다. |
| 출력 커패시터가 접지에 단락되었다. | 배터리 연결을 해제하고, 커패시터가 도통되는지 확인한다. | PCB에 단락이 발생했을 수 있다. | |
| 판독이 너무 낮다. (1.71 VDC 미만) | 인덕터 값이 적정하지 않다. 인덕터가 포화되었다. RSET_SSB0 값이 적정하지 않다. | 배터리 연결을 해제하고, 인덕터와 저항 값을 확인한다. | |
| 1.71V ~ 1.89V | 조치 불필요 | 정상 작동 | |
| 판독이 너무 높다. (1.89VDC이상) | RSEL 값이 적정하지 않다. | 배터리 연결을 해제하고, RSEL 값을 확인한다. |
아래 표를 활용해 SSB2 (5.0VDC) 출력과 관련한 문제를 진단 및 해결할 수 있다:
| 출력 전압 판독 | 가능한 원인 | 조치 | 비고 |
| 0V/판독 불가 | SSB2에서 COUT으로 연결이 되지 않았다. | 배터리 연결을 해제하고, 출력에서 COUT으로 전도가 되는지 확인한다. | PCB에 개방이 발생했을 수 있다. |
| 출력 커패시터가 접지에 단락되었다. | 배터리 연결을 해제하고, 커패시터가 도통되는지 확인한다. | PCB에 단락이 발생했을 수 있다. | |
| 판독이 너무 낮다. (4.75VDC 미만) | 인덕터가 부적정한 값이다. 인덕터가 포화되었다. RSET_SSB2 값이 적정하지 않다. | 배터리 연결을 해제하고, 인덕터와 저항 값을 검사한다. | |
| 4.75V~5.25V | 조치 불필요 | 정상 작동 | |
| 판독이 너무 높다. (5.259VDC) 이상) | RSEL값이 적정하지 않다. | 배터리 연결을 해제하고, RSEL 값을 확인한다. |
3B 단계 – 출력 AC 전압 확인: 오실로스코프 또는 DSO를 사용해서 MAX77642 디바이스의 3개 출력을 탐침하여 이번에는 출력 리플(AC)을 측정한다. 출력을 정확하게 측정하고 RF 픽업을 피하기 위해 차동 기법(differential technology)을 사용할 것을 권장한다.
* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz 이상이어야 한다.
이 회로가 정상적으로 작동한다면 SSB0 파형은 1.8 VDC (디지털) 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 7은 이 리플 파형을 보여준다.
아래 표를 활용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:
| 입력 파형 | 가능한 원인 | 조치 | 비고 |
| 리플 진폭이 너무 크다. | 커패시터 값이 적정하지 않다. 커패시터에 문제가 있다. | 배터리 연결을 해제하고, DMM을 사용해서 모든 연결 지점들을 확인한다. 커패시터 값을 측정한다. | |
| 광대역 잡음이 너무 높다. | 부하가 너무 크다. 환경적 잡음이 존재한다. | 부하와 환경적 잡음을 확인한다. | 환경적 잡음을 낮추기 위해서는 차동 프로브를 사용해서 출력을 탐침한다. |
| 전이 스파이크가 너무 높다. | 부하 인덕턴스가 너무 크다. 입력 전류가 적정하지 않다. | 라인 인덕턴스를 확인한다. 스코프를 사용해서 입력 전류를 확인한다. |
이 회로가 정상적으로 작동한다면 SSB1 파형은 1.8 VDC (아날로그) 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 8은 이 리플 파형을 보여준다.
이 회로가 정상적으로 작동한다면 SSB2 파형은 5.0 VDC (LED용) 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 9는 이 리플 파형을 보여준다.
맺음말
총 2부로 이루어진 이 연재물에서는 MAX86171 또는 MAX86141을 기반으로 한 PPG 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에 사용하도록 개발 및 검증된 전원장치 설계를 소개했다. 1부에서는 디스크리트 솔루션에 대해서 설명했고, 2부에서는 집적화된 솔루션에 대해서 설명했다. 집적화된 솔루션과 디스크리트 솔루션 모두가 PPG 성능을 잘 뒷받침하는데, 집적화된 솔루션은 풋프린트를 축소하고 부품 수를 줄일 수 있으므로 크기에 있어서 제약이 따르는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
아나로그디바이스 웹사이트 “원격 환자 생체지표 모니터링 시스템용 전원장치 서브시스템”에서는 이들 디스크리트 및 집적화된 전원장치 구현에 관한 검증 테스트 데이터를 볼 수 있다.
추가 정보:
생체지표 모니터링 시스템용 전원장치 서브시스템
정밀한 웨어러블 광학식 심박수 모니터링 시스템 설계
저자 소개
펠리페 네이라(Felipe Neira)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 애플리케이션 엔지니어이며, 휴대용 및 웨어러블 솔루션, 특히 의료용 센서의 배터리 전원 관리 분야에서 전문성을 쌓아왔다. 다양한 시장용 ADI 제품에 대한 기술 지원을 맡고 있다. UC 산타크루즈에서 BSEE를 취득했으며, 졸업 직후 ADI에 입사했다.
마크 스미스(Marc Smith)는 아나로그디바이스의 의료용 바이오센싱 애플리케이션 MTS(member of technical staff)이다. MEMS 및 센서 기술 전문가로서, 다양한 시장을 위한 센서 제품 및 전자장치 개발과 관련해서 30년 넘는 경험을 쌓고 있다. 12개의 특허를 보유했으며, 10여 건 이상의 문헌을 저작했다. UC 버클리에서 BSEE를, 캘리포니아 세인트 메리즈 칼리지에서 MBA를 취득했다.



