醫療電子中的電源管理概論

不同的醫療保健應用對電源管理解決方案的要求不盡相同。就電源管理而言，醫療保健是一個(gè)十分有意思的市場(chǎng)領(lǐng)域。盡管醫療保健產(chǎn)品的設計周期非常長(cháng)，高等級的創(chuàng )新還是不斷激發(fā)了對醫療保健電子產(chǎn)品的需求。這些創(chuàng )新產(chǎn)品不僅代替了舊有設備，還在新的市場(chǎng)和應用中使用，而數年前尚不存在這些應用領(lǐng)域。本文將討論四個(gè)不同的醫療保健應用領(lǐng)域。它們是家庭醫療保健、儀器儀表、病人監護和成像應用。

家庭醫療保健

在家庭醫療保健方面存在大量的設計實(shí)踐。全球范圍內的老齡化壓力、經(jīng)濟力量的增長(cháng)以及技術(shù)創(chuàng )新為家庭醫療保健領(lǐng)域帶來(lái)了許多全新應用。對病人而言，帶來(lái)的好處包括：更高的靈活性、更好的服務(wù)以及與醫生見(jiàn)面的次數更少。雖然家庭醫療保健市場(chǎng)早已存在，但最近才涌現出面向消費者且越來(lái)越先進(jìn)的解決方案。這類(lèi)解決方案的示例有：運動(dòng)監護儀、血壓監護儀以及心率監護儀。另外，便攜式血液分析儀和脈搏血氧儀系統也進(jìn)入了當今家庭醫療保健領(lǐng)域。

從電源管理的角度出發(fā)，所有這些系統都由于必要的便攜性而對集成度的要求較高。對于真正便攜的產(chǎn)品而言，它們將采用電池供電，因此要求系統具有高電源效率。在這類(lèi)應用中，較低的功耗可延長(cháng)設備的工作時(shí)間而無(wú)需充電或更換電池。最后，成本也是個(gè)很重要的參數。雖然在某些其它醫療保健應用中，電源管理解決方案的成本可能不是關(guān)鍵參數，但在家庭醫療保健中它十分重要。成本約束對當今的消費電子市場(chǎng)影響深遠。

圖1顯示采用鋰離子充電電池系統的電源鏈。該電源架構確保電路的某些部分可以通過(guò)負載開(kāi)關(guān)關(guān)閉（如ADP190），而另一部分為實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）供電的電路則始終開(kāi)啟（如ADP160）。開(kāi)啟時(shí)，ADP190具有低于2uA的接地電流，而ADP160在空載時(shí)僅消耗大約560nA電源電流。該特性使電池的永久放電保持在最低水平。ADP2140是一款高度集成的降壓開(kāi)關(guān)調節器，集成線(xiàn)性調節器。這款電源管理單元可節省空間和成本。

圖1：便攜式電池供電型家庭醫療保健設備的典型電源鏈。

某些僅供短期使用的低成本便攜式醫療保健系統可能會(huì )圍繞不可充電的堿性電池而設計。相比常見(jiàn)的雙電池設計，使用單顆電池將在重量和成本方面更有優(yōu)勢。單顆堿性電池系統面臨的難題是電池電壓范圍僅為0.8 V至1.5 V.為了對電子設備供電，必須采用能以高能效處理低輸入電壓的升壓調節器。圖2顯示采用ADP1607作為第一步電源轉換的這類(lèi)應用。該電路能產(chǎn)生3.3V電壓，滿(mǎn)足大部分系統要求。

圖2：采用單顆堿性電池為便攜式醫療保健系統供電。

儀器儀表

儀器儀表方面的示例應用有：血液分析儀、透析儀和臨床診斷設備。儀器儀表設備通常為非便攜式。這類(lèi)應用對電源管理的要求不如“家庭醫療保健”部分討論的那樣受諸多因素限制。在儀器儀表領(lǐng)域，通常能獲得更多的電能，因此對電源效率的要求并不嚴格。雖然高集成度無(wú)疑對系統有幫助，但這并非首要考慮因素。大多數情況下，對于儀器儀表應用而言重要的是低噪聲性能。開(kāi)關(guān)調節器和線(xiàn)性調節器必須具有極低的噪聲，才能進(jìn)行精度極高的測量。通常采用銀盒型的AC-DC電源產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)中間電壓。隨后，這些電軌用于產(chǎn)生更低的電壓。

圖3顯示的是一個(gè)微型PMU（電源管理單元）。它是一款ADP5050器件，采用來(lái)自AC-DC電源的12V電軌供電。該PMU集成四個(gè)開(kāi)關(guān)調節器以及一個(gè)線(xiàn)性調節器。雖然體積緊湊，但它集成了很多必要的功能。對單個(gè)降壓調節器的開(kāi)關(guān)頻率一并進(jìn)行同步和相移處理，以便最大程度降低輸入線(xiàn)路上的噪聲，并支持采用小數值輸入電容。一個(gè)獨特的特性是可以使兩個(gè)開(kāi)關(guān)調節器以另外兩個(gè)調節器開(kāi)關(guān)頻率的一半運行。這樣可以保持一個(gè)可預測的低EMI曲線(xiàn)，同時(shí)允許低功率電軌以較高的開(kāi)關(guān)頻率工作，并在高功率電軌上使用較低的開(kāi)關(guān)頻率以獲得盡可能高的效率。

最后很重要的一點(diǎn)是，提供I2C接口，可動(dòng)態(tài)改變輸出電壓、檢查芯片溫度、設置不同通道的相移、電源良好指示，并使能單個(gè)通道。這些功能有助于智能儀器儀表系統監視和控制電源管理性能。

圖3：提供多電壓和I2C連接性的微型電源管理單元。

病人監護

此類(lèi)系統都屬于臨床系統。它們用于測量血壓，但也可用在心電圖（ECG）和脈搏血氧儀系統中。這類(lèi)電源管理通常采用線(xiàn)路供電，因此只要能處理好散熱，能效就不是個(gè)大問(wèn)題。真正重要的是可靠性、出于安全目的的電流隔離以及低噪聲。為了增加可靠性，有時(shí)提供備用電池。當病人轉移到不同的醫院時(shí)，備用電池有助于提供不間斷的生命體征監護。

隔離需要符合最嚴格的醫療安全標準，即IEC 60601-1.采用iCouplers技術(shù)的數字隔離器正取代光耦合器而不影響隔離完整性。這一趨勢的優(yōu)勢是避免光耦合器的老化效應以獲得長(cháng)期穩定性，同時(shí)以單封裝提供不同的半導體功能，如USB、I2C和電源管理開(kāi)關(guān)調節器。這些器件提供加強絕緣性能，能夠承受IEC 60747-5-5標準規定的10kV浪涌。iCoupler產(chǎn)品采用芯片級變壓器，與光耦合器和基于電容的數字隔離器相比具有非常魯棒的共模瞬變抗擾度。

圖4顯示感性隔離概念。隔離柵兩側各有一個(gè)電感，由聚酰亞胺、二氧化硅（SiO2）或類(lèi)似的隔離材料組成。

圖4：跨越隔離柵的感性數字耦合概念。

成像應用

這類(lèi)應用由來(lái)已久。在成像領(lǐng)域所取得的進(jìn)步是真正令人嘆為觀(guān)止的。該產(chǎn)品團隊包括超聲、CT（計算機斷層掃描）、數字X射線(xiàn)、MRI（磁共振成像）和PET（正電子發(fā)射斷層掃描）。在電源管理方面有兩個(gè)趨勢。諸如MRI和PET等大型系統極為耗電，需要用到很多分布式電源。這些電源要求具有一定的效率以便散熱良好。

在成像應用中，極有可能任何類(lèi)型的系統噪聲（包括開(kāi)關(guān)噪聲甚至LDO輸出電壓噪聲）都會(huì )出現在最終圖像中。這可能是圖像中常見(jiàn)的誤差線(xiàn)，但有時(shí)也可在對比度、色彩或灰度水平中看到圖像質(zhì)量有所下降。

電源可能會(huì )影響圖像檢測或圖像顯示電路。若在成像系統中兩者都受影響，則圖像質(zhì)量將變得無(wú)法接受。有些醫療成像設備制造商以前使用電源管理模塊，但最終放棄了。雖然在原則上這些制造商能獲得參數規格有保證的產(chǎn)品，但實(shí)際的EMI表現無(wú)法得到保證。對電源模塊的生產(chǎn)過(guò)程做出最輕微的改變都可能產(chǎn)生圖像質(zhì)量方面的問(wèn)題。為獲得級別更高的控制，更好的做法可能是完全由醫療保健成像設計公司開(kāi)發(fā)分立式電源設計并進(jìn)行生產(chǎn)。

結論

在醫療保健應用中，不同應用領(lǐng)域對電源管理的要求可能極為不同。我們討論了各個(gè)領(lǐng)域中特定解決方案的要求。在家庭醫療保健領(lǐng)域，很多解決方案基于A(yíng)SSP（專(zhuān)用標準產(chǎn)品），甚至基于A(yíng)SIC（專(zhuān)用集成電路）。少量應用可采用標準現成電源管理單元。在儀器儀表、病人監護和成像應用領(lǐng)域，電源管理解決方案將針對超高精度信號路徑元器件進(jìn)一步優(yōu)化，并擔任重要角色。