【導(dǎo)讀】隨著人們的健康意識不斷提高，以及通過監(jiān)測來預(yù)防或治療多種疾病的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，消費者也越來越關(guān)注對自身健康的監(jiān)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(dǎo)致的），與此同時，智能手機和可穿戴設(shè)備的興起讓消費者能夠使用健康監(jiān)測應(yīng)用來幫助他們保持最佳健康狀態(tài)。
隨著人們的健康意識不斷提高，以及通過監(jiān)測來預(yù)防或治療多種疾病的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，消費者也越來越關(guān)注對自身健康的監(jiān)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(dǎo)致的），與此同時，智能手機和可穿戴設(shè)備的興起讓消費者能夠使用健康監(jiān)測應(yīng)用來幫助他們保持最佳健康狀態(tài)。
以患者為中心的醫(yī)療保健應(yīng)用能夠為用戶提供用藥時間、消耗的卡路里數(shù)、身體脫水程度等信息。通常都是借助手機監(jiān)測。例如，蘋果公司表示，iPhone用戶平均每天解鎖手機80次，因而手機成為接收和查看生物特征數(shù)據(jù)的理想工具。這為醫(yī)療保健應(yīng)用開發(fā)人員以及便攜式健康監(jiān)測產(chǎn)品硬件平臺制造商帶來龐大的目標(biāo)客戶群。
隨著醫(yī)療健康信息技術(shù)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在醫(yī)生能夠在患者同意的情況下訪問獲取患者的數(shù)據(jù)。用戶可以使用手機獲取常規(guī)檢查報告，也可以輕松查看放射學(xué)和病理學(xué)報告，毫無疑 問，這會大大促進以患者為中心的醫(yī)療健康應(yīng)用的普及。圖1所示為一個監(jiān)測系統(tǒng)示例。
圖1. 患者居家治療監(jiān)測示例
醫(yī)療設(shè)備數(shù)十年來，ADI公司面向醫(yī)療市場提供各種技術(shù)服務(wù)。我們注意到，低功耗精密元件推動了便攜式和無線醫(yī)療設(shè)備的快速發(fā)展。此類醫(yī)療產(chǎn)品的可靠性、運行時間和耐久性都需要達到很高的標(biāo)準(zhǔn)，其中相當(dāng)部分要求都是針對電源管理系統(tǒng)及其組件。醫(yī)療監(jiān)控產(chǎn)品必須正常運行，并且可以在各種電源（例如電池、交流電源插座、超級電容器，甚至環(huán)境能量收集源）之間無縫切換。
電源系統(tǒng)架構(gòu)師必須設(shè)計能夠防止出現(xiàn)故障狀況，且有時能夠容忍故障狀況的系統(tǒng)，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(tǒng)就能可 靠、正常地運行。
患者護理方式發(fā)生變化是推動便攜式和無線醫(yī)療設(shè)備不斷發(fā)展的另一個因素。具體來說，可以歸結(jié)為居家治療的患者越來越多地使用遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。導(dǎo)致這種趨勢的主要原因是經(jīng)濟考 量：對于患者和醫(yī)療機構(gòu)而言，住院治療的費用高昴，令人望而卻步。這些都促進便攜式電子監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展，這種系統(tǒng)內(nèi)置射頻(RF)發(fā)射器，可以將采集的病患數(shù)據(jù)直接發(fā)送給醫(yī)院或醫(yī) 生辦公室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)，供日后查看和分析。
由此可以推斷，為患者提供適用的醫(yī)療設(shè)備，以便居家治療使用，其成本遠(yuǎn)低于患者住院觀察治療的成本。但是，因為這些設(shè)備不是在專業(yè)人員的監(jiān)督下使用，所以確保患者使用的設(shè)備 安全可靠至關(guān)重要。這些產(chǎn)品的制造商和設(shè)計人員必須確保設(shè)備可以通過多個電源無縫運行，并且能夠高度可靠地?zé)o線傳輸采集到的患者數(shù)據(jù)。因此，需要電源管理和轉(zhuǎn)換架構(gòu)可靠、靈 活、緊湊、高效，在寬帶寬范圍內(nèi)保持低噪聲。
功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)
雖然開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲高于線性穩(wěn)壓器，但前者的效率要高得多。事實證明，如果開關(guān)穩(wěn)壓器的行為可預(yù)測，那么許多噪聲敏感應(yīng)用中的噪聲和EMI水平也可以管控。如果開關(guān)穩(wěn)壓器 在正常模式下以恒定頻率開關(guān)，并且開關(guān)邊沿干凈、可預(yù)測且沒有過沖或高頻振鈴，那么EMI將極小。小封裝尺寸和高工作頻率可以提供小而緊湊的布局，從而最大限度地降低EMI輻射。而且，如果穩(wěn)壓器與低ESR陶瓷型電容一起使用，就可以盡量減少輸入和輸出電壓紋波。但是，并不是所有的系統(tǒng)架構(gòu)師都具備全面的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換相關(guān)背景知識，可以解決這些噪聲干擾問題。
其中許多系統(tǒng)需要使用多個低壓供電軌來為低功耗傳感器、存儲器、微控制器內(nèi)核、I/O和邏輯電路供電；此外，由于系統(tǒng)內(nèi)空氣流動或散熱不足，冷卻效果不佳，這些散熱設(shè)計限制讓系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。
ADI Power產(chǎn)品團隊與功率專家齊心協(xié)力，利用行業(yè)領(lǐng)先的產(chǎn)品開發(fā)電源解決方案。例如，在醫(yī)療電子系統(tǒng)中，許多應(yīng)用要求即使主電源中斷也要確保連續(xù)供電，因此需要可靠的備用電源。這些系統(tǒng)的備用電源運行時間依賴于主電源中斷之后，正常關(guān)閉該系統(tǒng)所需的時間。這段時間可能是幾分鐘，也可能是幾小時，具體取決于最終應(yīng)用。
解決設(shè)計限制的全新解決方案
對于需要高功率、短時備用電源的系統(tǒng)，超級電容是非常不錯的選擇。任何支持此類應(yīng)用的IC通常都需要能夠在主電源中斷期間支持2.9 V至5.5 V電源軌。超級電容具備高峰值功率，非常適合短時間內(nèi)需要高峰值功率備用電源的系統(tǒng)應(yīng)用。
舉例來說，LTC4041使用片內(nèi)雙向同步轉(zhuǎn)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(dāng)外部電源可用時，該器件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(tǒng)負(fù)載以優(yōu)先權(quán)。當(dāng)輸入電源降至可調(diào)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(tǒng)負(fù)載提供最高2.5 A的電流。在電源故障期間，該器件的PowerPath?控制功能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(yīng)用包括在醫(yī)療設(shè)備、電表、工業(yè)警報和固態(tài)驅(qū)動器中常見的斷電應(yīng)急電源。圖1顯示了一個典型LTC4041應(yīng)用原理圖。
圖2. 適用于3.3 V系統(tǒng)的LTC4041單個超級電容備用電源。
如果使用兩個超級電容，那么內(nèi)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，并將每個超級電容的最大電壓限制為預(yù)定值。其可調(diào)輸入限流功能支持采用限流電源供電，同 時系統(tǒng)負(fù)載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開開關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開來。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源失效指示器和系統(tǒng)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。
對于散熱和空間受限的醫(yī)療系統(tǒng)電源設(shè)計人員來說，采用緊湊且高效的5 V降壓轉(zhuǎn)換器非常重要，該轉(zhuǎn)換器的高轉(zhuǎn)換效率可以盡可能減少熱限制，實現(xiàn)極小尺寸解決方案。
LTC3309A專門針對空間限制和散熱限制而設(shè)計。LTC3309A是一款非常小巧的低噪聲單芯片降壓型DC-DC轉(zhuǎn)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。該器件采用 Silent Switcher?架構(gòu)，配有外部熱回路旁置電容，可以在最高3 MHz 開關(guān)頻率下實現(xiàn)低EMI和高效率。
此外，LTC3309A是一款恒頻電流模式降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。振蕩器會在每個時鐘周期開始時打開內(nèi)部電源頂部開關(guān)。電感電流不斷增加，直到頂部電流開關(guān)比較器斷路，并關(guān)閉頂部電源開關(guān)。頂部開關(guān)關(guān)閉時的峰值電感電流由ITH節(jié)點的電壓決定。誤差放大器比較FB引腳上的電壓和內(nèi)部500 mV基準(zhǔn)電壓，據(jù)此管控ITH節(jié)點。負(fù)載電流增加時，與基準(zhǔn)電壓相關(guān)的反饋電壓會降低，導(dǎo)致誤差放大器的ITH電壓增高，直到電感的平均電流與新負(fù)載電流匹配。當(dāng)頂部電源開關(guān)關(guān)閉時，同步電源開關(guān)開啟，直到開始下一個時鐘周期，或者，在脈沖跳躍模式中，直到電感電流降低至零。如果過載狀況導(dǎo)致過量電流流過底部開關(guān)，則下一時鐘周期會延遲，直至開關(guān)電流恢復(fù)到安全水平。如果 EN引腳為低電平，LTC3309A將關(guān)斷，進入低靜態(tài)電流狀態(tài)。當(dāng)EN 引腳高于其閾值時，就會使能開關(guān)穩(wěn)壓器。
圖3. LTC3309A應(yīng)用原理圖：由2.25 V至5 V輸入電壓在1.2 V下提供6 A
由于LTC3309A采用恒頻、峰值電流模式控制架構(gòu)，所以能在最低輸出電容下提供快速瞬態(tài)響應(yīng)。500 mV參考電壓可以實現(xiàn)低電壓輸出，同時100%占空比運行可以實現(xiàn)低壓降。其他特性包括指示輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)的電源良好信號、精準(zhǔn)使能閾值、輸出過壓保護、熱關(guān)斷、溫度監(jiān)視器、時鐘同步、模式選擇和輸出短路保護。該器件采用緊湊的12引腳2 mm × 2 mm LQFN封裝。
結(jié)論
毫無疑問，系統(tǒng)設(shè)計人員在設(shè)計供居家治療的患者實施健康監(jiān)測的便攜式和無線醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備時，面臨嚴(yán)峻的設(shè)計挑戰(zhàn)。有許多限制因素必須解決，其中有些因素可能相互沖突。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數(shù)據(jù)。幸運的是，ADI推出的LTC3309A和LTC4041讓設(shè)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，并且適用于便攜式設(shè)備。
LTC3309A
●高效率：8mΩ NMOS、31mΩ PMOS
●可編程頻率至3MHz
●小型電感和電容
●峰值電流模式控制
●22ns最短導(dǎo)通時間
●寬帶寬、快速瞬態(tài)響應(yīng)
●Silent Switcher?架構(gòu)
●超低EMI輻射
●低紋波突發(fā)工作模式(Burst Mode?)，IQ為40μA
●過載時安全地承受電感飽和
●VIN范圍：2.25V至5.5V
●VOUT范圍：0.5V至VIN
●VOUT精度：超出溫度范圍±1%
●精密400mV使能閾值
●關(guān)斷電流：1μA
●電源正常、內(nèi)部補償和軟啟動
●散熱增強型2mm × 2mm LQFN封裝
●通過AEC-Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證
(來源：亞德諾半導(dǎo)體）
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