醫(yī)療電子中的電源管理概論

不同的醫(yī)療保健應(yīng)用對(duì)電源管理解決方案的要求不盡相同。就電源管理而言，醫(yī)療保健是一個(gè)十分有意思的市場(chǎng)領(lǐng)域。盡管醫(yī)療保健產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期非常長(zhǎng)，高等級(jí)的創(chuàng)新還是不斷激發(fā)了對(duì)醫(yī)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(shè)備，還在新的市場(chǎng)和應(yīng)用中使用，而數(shù)年前尚不存在這些應(yīng)用領(lǐng)域。本文將討論四個(gè)不同的醫(yī)療保健應(yīng)用領(lǐng)域。它們是家庭醫(yī)療保健、儀器儀表、病人監(jiān)護(hù)和成像應(yīng)用。

家庭醫(yī)療保健

在家庭醫(yī)療保健方面存在大量的設(shè)計(jì)實(shí)踐。全球范圍內(nèi)的老齡化壓力、經(jīng)濟(jì)力量的增長(zhǎng)以及技術(shù)創(chuàng)新為家庭醫(yī)療保健領(lǐng)域帶來(lái)了許多全新應(yīng)用。對(duì)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(yī)生見(jiàn)面的次數(shù)更少。雖然家庭醫(yī)療保健市場(chǎng)早已存在，但最近才涌現(xiàn)出面向消費(fèi)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(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)儀、血壓監(jiān)護(hù)儀以及心率監(jiān)護(hù)儀。另外，便攜式血液分析儀和脈搏血氧儀系統(tǒng)也進(jìn)入了當(dāng)今家庭醫(yī)療保健領(lǐng)域。

從電源管理的角度出發(fā)，所有這些系統(tǒng)都由于必要的便攜性而對(duì)集成度的要求較高。對(duì)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(tǒng)具有高電源效率。在這類(lèi)應(yīng)用中，較低的功耗可延長(zhǎng)設(shè)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(shù)。雖然在某些其它醫(yī)療保健應(yīng)用中，電源管理解決方案的成本可能不是關(guān)鍵參數(shù)，但在家庭醫(yī)療保健中它十分重要。成本約束對(duì)當(dāng)今的消費(fèi)電子市場(chǎng)影響深遠(yuǎn)。

圖1顯示采用鋰離子充電電池系統(tǒng)的電源鏈。該電源架構(gòu)確保電路的某些部分可以通過(guò)負(fù)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(diào)節(jié)器，集成線(xiàn)性調(diào)節(jié)器。這款電源管理單元可節(jié)省空間和成本。

圖1：便攜式電池供電型家庭醫(yī)療保健設(shè)備的典型電源鏈。

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

圖2：采用單顆堿性電池為便攜式醫(yī)療保健系統(tǒng)供電。

儀器儀表

儀器儀表方面的示例應(yīng)用有：血液分析儀、透析儀和臨床診斷設(shè)備。儀器儀表設(shè)備通常為非便攜式。這類(lèi)應(yīng)用對(duì)電源管理的要求不如“家庭醫(yī)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(duì)電源效率的要求并不嚴(yán)格。雖然高集成度無(wú)疑對(duì)系統(tǒng)有幫助，但這并非首要考慮因素。大多數(shù)情況下，對(duì)于儀器儀表應(yīng)用而言重要的是低噪聲性能。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器和線(xiàn)性調(diào)節(jié)器必須具有極低的噪聲，才能進(jìn)行精度極高的測(cè)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A(yù)DP5050器件，采用來(lái)自AC-DC電源的12V電軌供電。該P(yáng)MU集成四個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器以及一個(gè)線(xiàn)性調(diào)節(jié)器。雖然體積緊湊，但它集成了很多必要的功能。對(duì)單個(gè)降壓調(diào)節(jié)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(shù)值輸入電容。一個(gè)獨(dú)特的特性是可以使兩個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器以另外兩個(gè)調(diào)節(jié)器開(kāi)關(guān)頻率的一半運(yùn)行。這樣可以保持一個(gè)可預(yù)測(cè)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(shè)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(tǒng)監(jiān)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(jiān)護(hù)

此類(lèi)系統(tǒng)都屬于臨床系統(tǒng)。它們用于測(cè)量血壓，但也可用在心電圖（ECG）和脈搏血氧儀系統(tǒng)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(dāng)病人轉(zhuǎn)移到不同的醫(yī)院時(shí)，備用電池有助于提供不間斷的生命體征監(jiān)護(hù)。

隔離需要符合最嚴(yán)格的醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 60601-1.采用iCouplers技術(shù)的數(shù)字隔離器正取代光耦合器而不影響隔離完整性。這一趨勢(shì)的優(yōu)勢(shì)是避免光耦合器的老化效應(yīng)以獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定性，同時(shí)以單封裝提供不同的半導(dǎo)體功能，如USB、I2C和電源管理開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。這些器件提供加強(qiáng)絕緣性能，能夠承受IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10kV浪涌。iCoupler產(chǎn)品采用芯片級(jí)變壓器，與光耦合器和基于電容的數(shù)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(cè)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(shù)字耦合概念。

成像應(yīng)用

這類(lèi)應(yīng)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止的。該產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)包括超聲、CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）、數(shù)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(shì)。諸如MRI和PET等大型系統(tǒng)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(yīng)用中，極有可能任何類(lèi)型的系統(tǒng)噪聲（包括開(kāi)關(guān)噪聲甚至LDO輸出電壓噪聲）都會(huì)出現(xiàn)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(duì)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(cè)或圖像顯示電路。若在成像系統(tǒng)中兩者都受影響，則圖像質(zhì)量將變得無(wú)法接受。有些醫(yī)療成像設(shè)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(shù)規(guī)格有保證的產(chǎn)品，但實(shí)際的EMI表現(xiàn)無(wú)法得到保證。對(duì)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(jí)別更高的控制，更好的做法可能是完全由醫(yī)療保健成像設(shè)計(jì)公司開(kāi)發(fā)分立式電源設(shè)計(jì)并進(jìn)行生產(chǎn)。

結(jié)論

在醫(yī)療保健應(yīng)用中，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娫垂芾淼囊罂赡軜O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(yī)療保健領(lǐng)域，很多解決方案基于ASSP（專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品），甚至基于ASIC（專(zhuān)用集成電路）。少量應(yīng)用可采用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成電源管理單元。在儀器儀表、病人監(jiān)護(hù)和成像應(yīng)用領(lǐng)域，電源管理解決方案將針對(duì)超高精度信號(hào)路徑元器件進(jìn)一步優(yōu)化，并擔(dān)任重要角色。