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无线医疗仪器将受益于新型电源IC
背 景
这种对可靠性、运行时间和鲁棒性有着更高标准的负担大部分落在电源系统及其组件上.医疗产品在交流电源插座、备用电池甚至采集的环境能源等各种电源之间必须能够无缝切换且保证正常运行.此外,必须采取很全面措施来防止和容忍故障,最大限度地延长电池供电时的使用时间,并确保只要有有效电源存在,系统的正常运行就是可靠的.
目前,病患护理是促进便携式和无线式医疗仪器增长趋势的关键因素之一,特别是病患自己家中远程监护系统使用的增加,而造成这种情况的根本原因是纯粹的经济上考虑,将患者保留在医院观察治疗的成本实在是太高了.这样带来的结果是,大多数这类便携式电子监护系统必须内置RF 发射器,以便从患者处收集的任何数据可以直接发送回医院的监控系统,并供主管医生日后复审与分析用.
考虑到上述情况,合理地假设是将适当的医疗仪器提供给患者在家使用的成本远远低于留在医院观察所需要的成本.然而,设备的可靠性、防误操作性及操作简单性对患者的使用而言是非常重要的.因此,这类产品的制造商和设计人员必须确保产品能够在多个电源间无缝切换运行,且在从患者处收集到的数据的无线传输中具有高可靠性,这就要求设计人员确保电源管理架构具有极高的鲁棒性、灵活性、紧凑性及高效性等.
电源IC 解决方案
医疗电子系统中有许多应用需要连续供电,即使在主电源发生中断时也是如此,因此一个关键的要求是降低静态电流来延长电池使用寿命.因此,自2010 年以来,电源IC 制造商们一直致力于开发与生产备用静态电流小于30 μA 的开关稳压器.实际上,我们近期推出的一系列产品已将备用静态电流降低至2.5 μA,已经能够很好地应用于由电池提供备份电源的医疗系统中.
虽然开关稳压器产生的噪声高于线性稳压器的,但其效率指标远远优于后者.在许多敏感应用中,只要开关电源以可预测的方式运行,其噪声和EMI 水平已被证实是可控的.如果开关稳压器在正常模式下以恒定频率开关运行,并且开关脉冲边沿干净且可预测,且没有过冲或高频振铃,则EMI 将被最小化.小封装尺寸和高工作频率可以提供小巧紧凑的布局,从而最大幅度地降低EMI 辐射.此外,如果稳压器可与低ESR 陶瓷电容配合使用,那么输入电压和输出电压的纹波均可最小化,而这些纹波正是系统中额外的噪声源.
许多功能丰富的病患监护医疗设备中的电源轨数量正在不断增加,然而其工作电压则不断降低.尽管如此,这些系统中很多仍然需要1.x V 至8.x V 的宽电压范围,以用于电机驱动、低功耗传感器、存储器、微控制器内核、I/O 和逻辑电路的供电.
传统方案中,这些电源轨由降压型开关稳压器或低压差稳压器提供.但是,对于那些还在系统中内置了一个备份电池以应对主电源故障状况的配置,这类 IC 并没有进行相应的优化.因此,当使用降压-升压型转换器（升压或降压）时,可以使电池的全部工作范围得以利用.这无疑增加了运行裕度,并延长了电池运行时间,因为更多的电池寿命能被利用,特别是当它接近其放电曲线的较低端时.
相应地,在可能配有一个主电池的便携式医疗仪器中使用的DC/DC 转换器解决方案应具有以下属性：
? 具有宽输入电压范围的降压- 升压型 DC/DC 架构,以在采用多种电池供电型电源及其相关电压范围时调节 VOUT
? 在运行模式及停机模式下均可提供超低静态电流,以延长电池运行时间
? 能够有效地为系统电压轨道供电
? 具有降低浪涌电流的电流限制功能,进而保护电池
? 整体方案体积小巧,重量轻,剖面低
? 具有改善热性能和空间效率的先进封装
我们最新推出的电源IC LTC3119 完全符合以上要求,它是一款同步电流模式单片降压- 升压型转换器,在降压模式中,可从单节或多节电池、未稳压交流适配器、太阳能电池板以及超级电容器等多种输入源提供高达5 A 的连续输出电流.一旦启动,这款IC 2.5 V 至18 V 的输入电压范围可延伸至250mV.输入电压高于、低于或等于输出电压时,输出电压都是稳定的且在0.8 V 至18 V范围内是可编程的.用户可选择突发模式（BurstMode?）操作将静态电流降至31 μA,从而提高轻载效率,并延长电池运行时间.LTC3119 采用专有的4 开关PWM 降压- 升压拓扑结构,可在所有工作模式下实现低噪声、无抖动的切换,非常适用于对电源噪声敏感的RF 应用和精密的模拟应用.这款器件还具有可编程最大功率点控制功能（MPPC）,能确保从光伏电池等较高输出阻抗的电源中获得最大输出功率,其简化原理图如图1 所示.
LTC3119 包含4 个内部低RDSON N 沟道MOET,可提供高达95％的效率,并可以禁用突发模式操作,以提供低噪声连续切换.使用外部频率编程或内部PLL 同步使其可在400 kHz 至2 MHz 的宽开关频率范围内工作,从而实现转换效率与解决方案尺寸之间的折衷.该芯片还具有短路保护、热过载保护、关断电流小于3 μA 以及电源良好指示灯等其他特点.LTC3119 采用了微小的外部元件,具有宽工作电压范围,紧凑的封装和低静态电流,非常适用于RF 电源、大电流脉冲负载应用、系统备用电源以及连接至12V 转换系统的铅酸电池等.
便携式医疗系统往往需要用多个输入源供电,如单节或多节电池配置、交流适配器和超级电容器组等.
结论
就各种电池供电和/ 或由电池提供备份电源的医疗系统的设计而言,已经呈现出大量机会.与此同时,系统设计人员在选择符合关键设计目标的合适电源转换解决方案时往往会面临一些艰难的调战,这些设计目标通常包括在不损失效率、运行时间,并且可满足辐射规范要求和解决方案尺寸的情况下,符合输入至输出电压范围限制、提供合适的功率水平和设计简易性.
设计一个满足系统目标而又不降低性能的解决方案是一项艰难的任务.幸运的是,我们能够提供越来越多的降压- 升压型转换器解决方案以简化设计,得益于这些方案能够在各种负载下高效率运行,因而能够提供同类最佳的性能,并在电池充电周期之间最大限度地延长运行时间.
仪器论文范文结:
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