无线医疗仪器受益于新型电源 IC

与许多其他应用一样，低功耗精密元件推动了便携式和无线医疗仪器的快速增长。然而，与许多其他应用不同，这种类型的医疗产品通常在可靠性、运行时间和稳健性方面具有更高的标准。这种负担大部分落在电力系统及其组件上。医疗产品必须正常运行并在各种电源之间无缝切换，例如交流电源插座、备用电池，甚至是收集的环境能源。此外，必须竭尽全力防止和容忍故障，最大限度地延长电池供电时的运行时间，并确保在存在有效电源时正常系统运行是可靠的。

当前推动便携式和无线医疗仪器增长的主要趋势之一是患者护理。具体来说，这是在患者自己家中增加使用远程监控系统。这种趋势的原因纯粹是经济性质的——将病人留在医院的相关成本太高了。因此，这些便携式电子监控系统中的许多必须包含射频发射器，以便从患者那里收集的任何数据都可以直接发送回医院内的监控系统，以供主管医师稍后审查和分析。

鉴于上述情况，可以合理地假设为患者提供适当的医疗器械以供家庭使用的成本被将其留在医院进行观察的成本所抵消。尽管如此，患者使用的设备必须可靠且万无一失，这一点至关重要。因此，这些产品的制造商和设计人员必须确保它们可以从多个电源无缝运行，并在从患者收集的数据的无线数据传输中具有高可靠性。这要求设计人员确保电源管理架构稳健、灵活、紧凑且高效。

电源 IC 解决方案医疗电子系统中有许多应用需要持续供电，即使在主电源中断的情况下也是如此。一个关键要求是低静态电流以延长电池寿命。因此，功率 IC 制造商自 2010 年以来一直在生产待机静态电流小于 30 µA 的开关稳压器。事实上，凌力尔特公司最近推出的一些产品已将这一数字降至仅 2.5 µA。因此，这些产品非常适合在电池备份医疗系统中采用。

尽管开关稳压器比线性稳压器产生更多的噪声，但它们的效率要高得多。噪声和电磁干扰 (EMI) 水平已被证明在许多敏感应用中是可控的，只要切换器的行为可预测。如果开关稳压器在正常模式下以恒定频率开关，并且开关边沿干净且可预测，没有过冲或高频振铃，则 EMI 最小化。小封装尺寸和高工作频率可以提供紧凑的小布局，从而最大限度地减少 EMI 辐射。此外，如果稳压器可以与低等效串联电阻 (ESR) 陶瓷电容器一起使用，则可以最大限度地减少输入和输出电压纹波，这是系统中的额外噪声源。

随着许多功能丰富的患者监测医疗设备中电源轨数量的增加，工作电压已经降低。尽管如此，其中许多系统仍需要从 1.x V 到 8.x V 的宽电压范围来为电机、低功耗传感器、存储器、微控制器内核、I/O 和逻辑电路供电。

传统上，这些电压轨由降压开关稳压器或低压差稳压器供电。但是，如果主电源出现故障，这些类型的 IC 并未针对在系统中还包含备用电池的配置进行优化。因此，当使用降压-升压转换器时（它可以升压或降压），它将允许电池的整个工作范围得到利用。这增加了工作裕度并延长了电池的运行时间，因为电池的使用寿命更长，特别是当它接近其放电曲线的下限时。

相应地，便携式医疗仪器中使用的 DC/DC 转换器解决方案（也可能包含一个原电池）应具有以下属性：

具有宽输入电压范围的降压-升压 DC/DC 架构，可通过各种电池供电电源及其相关电压范围调节VOUT

超低静态电流，无论是在工作模式下还是关断状态下，都可以延长电池运行时间

有效地为系统轨供电的能力

用于衰减浪涌电流的电流限制，从而保护电池

体积小、重量轻、外形小巧的解决方案

先进的封装可提高热性能和空间效率

因此，任何满足这些要求的单片降压-升压电源 IC 都必须具有包括同步操作以实现高效转换的特性，并且能够在降压模式下从各种输入源提供高达 5A 的连续输出电流，包括单节或多节电池、不受管制的墙壁适配器、太阳能电池板和超级电容器。此外，它必须具有 2.5 V 至 18 V 的输入电压范围才能处理此输入源阵列。

从输出电压的角度来看，降压-升压转换器必须能够调节高于、低于或等于输出的输入，并且可以在 0.8 V 至 18 V 范围内进行编程。突发模式操作是另一个需要的特性，因为它提高轻负载效率，同时延长电池运行时间。具有四开关 PWM 降压-升压拓扑的转换器通常可在所有工作模式下提供低噪声、无抖动切换，使其适用于对电源噪声敏感的射频和精密模拟应用。该器件还应包括可编程最大功率点控制 (MPPC) 功能，确保从具有更高输出阻抗的电源（包括光伏电池）提供最大功率。

在 Analog Devices 的 LTC3119 中可以找到这些产品属性的良好复制品。这款单片降压-升压转换器包括四个内部低 RDSONN 沟道 MOSFET，可提供高达 95% 的效率。可以禁用突发模式操作，提供低噪声连续切换。使用内部 PLL 进行外部频率编程或同步可以在 400 kHz 至 2 MHz 的宽开关频率范围内工作，从而可以在转换效率和解决方案尺寸之间进行权衡。

其他特性包括短路保护、热过载保护、小于 3 μA 的关断电流和电源良好指示器。该器件结合了纤巧的外部元件、宽工作电压范围、紧凑的封装和低静态电流，使其非常适合射频电源、大电流脉冲负载应用、系统备用电源，甚至铅酸电池12V 转换系统。图 1：LTC3119 原理图展示了高水平的集成度和性能。

结论为设计各种电池供电和/或电池后备医疗系统提供了巨大的机会。同时，系统设计人员在选择满足关键设计目标的正确电源转换解决方案时面临着艰巨的挑战，这些目标包括输入到输出电压限制、功率水平和易于设计，同时又不影响效率和运行时间。满足排放规范和解决方案尺寸。

设计一个既能满足系统目标又不影响性能的解决方案可能是一项艰巨的任务。幸运的是，来自众多电源 IC 供应商的降压-升压转换器解决方案越来越多，这些解决方案简化了设计工作，提供了一流的功能，并且由于效率高而能够最大限度地延长电池充电周期之间的运行时间手术。

审核编辑 黄昊宇