適用于電池供電醫(yī)療儀器的先進轉換器

低功率、高精度組件已經(jīng)促使便攜式和無線醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。不過，與其他很多應用不同，這類醫(yī)療產品的可靠性、運行時間和堅固性標準一般會高得多。這種高標準帶來的負擔大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件身上。醫(yī)療產品必須在各種電源供電時正確運行，并在這些電源之間無縫切換，例如 AC 電源、備份電池、甚至收集的環(huán)境能源。此外，必須竭盡全力地保護醫(yī)療產品的安全，以免因各種故障而損壞，并使其對各種故障情況有一定的承受能力。在采用電池供電時，要能夠最大限度延長醫(yī)療設備運行時間，而且無論何時，只要存在有效電源，系統(tǒng)就能正常、可靠地運行。

目前促使便攜式和無線醫(yī)療儀器增長的主要趨勢之一是患者護理，尤其是越來越多地在患者家中使用遠程監(jiān)視系統(tǒng)。從本質上看，在患者家中使用遠程監(jiān)視系統(tǒng)的主要動力純粹是出于經(jīng)濟原因，因為讓患者住院的成本實在高得令人望而卻步。為此，很多便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)必須納入 RF 發(fā)送器，這樣從患者監(jiān)視系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)就能夠方便地直接發(fā)送到醫(yī)院內的監(jiān)察系統(tǒng)中，以供主管醫(yī)生稍后查閱和分析。

考慮到上述情況，可以合理假定，提供合適的醫(yī)療儀器供患者在家中使用與讓患者住院使用這些醫(yī)療儀器相比，前者成本更低。不過，非常重要的是，患者使用的設備不僅要可靠，還要安全!因此，制造商和設計師必須確保，這類醫(yī)療產品能夠無縫地用多種電源運行 (包括備份電源)，并確保所收集的患者數(shù)據(jù)有很高的可靠性，以及確保無線數(shù)據(jù)傳送具 99.999% 的完整性。這就要求系統(tǒng)設計師確保所使用的電源管理架構不僅堅固、靈活，而且緊湊和高效。這樣，才能同時滿足醫(yī)院和患者的需求。

幸運的是，有一些模擬器件公司專注于產品創(chuàng)新和技術專長針，對這些問題提供了解決方案。因為在醫(yī)療電子系統(tǒng)中有很多應用需要連續(xù)供電，甚至在交流供電系統(tǒng)中斷時也有此需要，那么關鍵要求就是低靜態(tài)電流以延長電池壽命。因此，通常需要備用靜態(tài)電流低于 10mA 的開關穩(wěn)壓器。實際上，有些新型系統(tǒng)結合使用電池和能量收集系統(tǒng)作為其主電源，這類系統(tǒng)要求靜態(tài)電流在幾微安范圍內，甚至在有些情況下要求在幾納安范圍。對開關穩(wěn)壓器而言，要想用于這類患者“在家中使用”的醫(yī)療電子系統(tǒng)，低靜態(tài)電流是必要的先決條件。

盡管開關穩(wěn)壓器產生的噪聲比線性穩(wěn)壓器大，但是開關穩(wěn)壓器的效率高得多。在很多敏感型應用中，只要開關行為是可預期的，噪聲和 EMI 水平就是可控，這一點已經(jīng)得到了證明。如果開關穩(wěn)壓器在正常工作模式下以恒定頻率切換，而且切換波形的邊沿是干凈和可預期，沒有過沖或高頻振鈴，那么 EMI 就可以得到最大限度降低。如果封裝尺寸很小、工作頻率很高，就可以構成小型和緊湊的布局，這也最大限度降低了 EMI 輻射。此外，如果穩(wěn)壓器可與低 ESR 陶瓷電容器一起使用，那么輸入和輸出電壓紋波都可以得到最大限度減小，這種紋波也是系統(tǒng)中的附加噪聲源。

在今天功能豐富的患者監(jiān)視醫(yī)療設備中，電源軌的數(shù)量在增加，同時工作電壓在不斷降低。然而，這類系統(tǒng)很多仍然需要 3V、3.3V 或 3.6V 電壓軌，以給低功率傳感器、內存、微控制器內核、I/O 和邏輯電路供電。此外，既然保持這類設備正常運行有時是至關重要，因此很多設備都有備份電池系統(tǒng)，以防給設備供電的主電源中斷。

傳統(tǒng)上，由降壓型開關穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器為這類設備提供電壓軌。然而，這類 IC 無法利用電池的整個運行范圍，因此縮短了設備電池的潛在運行時間。而使用降壓-升壓型轉換器 (可以升高電壓或降低電壓) 時，可以利用電池的整個運行范圍。這延長了可用電池壽命，因此提高了運行裕度，延長了電池運行時間，尤其是運行在靠近放電曲線的較低端時。

顯然，要滿足主電池系統(tǒng)應用需求并解決上述有關問題，任何 DC/DC 轉換器解決方案都應該具備以下特性：

· 具很寬輸入電壓范圍的降壓-升壓型 DC/DC 架構，以通過各種電池供電電源以及在其相關的電壓范圍內調節(jié) V_OUT

· 在工作模式和停機時都具備超低靜態(tài)電流，以延長電池運行時間

· 能夠高效率地給系統(tǒng)電壓軌供電

· 能夠在對 IC 靜態(tài)電流 (電量消耗) 沒有顯著影響的條件下準確地進行庫倫計數(shù)，以確定剩余電池充電狀態(tài)

· 電流限制，以衰減浪涌電流，保護電池安全

· 占板面積很小、輕巧和扁平的解決方案

· 先進的封裝以改善熱性能和空間利用率

為了提供具備上述特性的解決方案，凌力爾特公司不久前推出集成了庫倫計數(shù)器的毫微功率 LTC3335 降壓-升壓型轉換器。該器件為需要低靜態(tài)電流以及需要了解剩余電池電量信息的主電池應用而設計?；蛘?，在有些應用中，庫倫計數(shù)器作為一種系統(tǒng)故障檢查手段，可以檢測潛在電池組件或負載泄漏，該器件也適用于這類應用。參見圖 1。

圖 1：集成了庫倫計數(shù)器的 LTC3335 降壓-升壓型轉換器

Battery：電池

Coulomb Counter：庫倫計數(shù)器

Buck-Boost Converter：降壓-升壓型轉換器

Load：負載

LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉換器，具精確的內置庫倫計數(shù)器，提供高達 50mA 連續(xù)輸出電流。該器件的靜態(tài)電流僅為 680nA，可編程峰值輸入電流從低至 5mA 直至高達 250mA，因此非常適合多種低功率電池應用，例如配備備份電池的便攜式健康監(jiān)視系統(tǒng)中的應用。該器件的輸入范圍為 1.8V 至 5.5V，提供 1.8V 至 5V 的 8 個用戶可選輸出，在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時，提供穩(wěn)定的輸出。此外，長壽命非可再充電電池供電的應用在很多情況下電池放電曲線都極度平坦，在這類應用中，該器件集成的精確庫倫計數(shù)器 (±5% 電池放電測量準確度) 可提供準確的監(jiān)視累計電池放電量。LTC3335 包含 4 個內部低 R_DSON MOSFET ，可提供高達 90% 的效率。其他特點包括可編程放電報警門限、用于存取庫倫計數(shù)值和設定器件的 I²C 接口、Power Good 輸出、以及為適合多種類型及尺寸的電池提供從 5mA 直至 250mA 的 8 種可選峰值輸入電流。