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光電容積脈搏波(PPG)遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)護(hù)儀的電源子系統(tǒng)——第一部分

作者:Felipe Neira和Marc Smith 時(shí)間:2023-03-22 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:這篇文章分兩部分,介紹經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的針對(duì)遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用的開(kāi)關(guān)模式電源電路設(shè)計(jì),包括具有出色系統(tǒng)信噪比性能的生物傳感器。第一部分說(shuō)明提供出色性能的分立解決方案,第二部分說(shuō)明針對(duì)空間受限應(yīng)用的集成解決方案。


本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202303/444781.htm

您將會(huì)學(xué)到什么知識(shí):

●   了解如何根據(jù)系統(tǒng)要求選擇電源配置。

●   審查分立(第一部分)和集成設(shè)計(jì)(第二部分)的開(kāi)關(guān)模式電源參考電路的實(shí)現(xiàn)。

●   理解電源性能測(cè)試方法,以在不同器件用例和瞬態(tài)加載條件下驗(yàn)證系統(tǒng)。

●   獲取檢查清單以驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)。

●   獲得故障排除知識(shí)以解決實(shí)施問(wèn)題。

本文分兩部分,介紹經(jīng)過(guò)預(yù)先驗(yàn)證的針對(duì)()遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用的電源電路設(shè)計(jì),包括具有出色系統(tǒng)信噪比性能的生物傳感器。器件可用來(lái)測(cè)量血容量的變化,從中得出血氧水平和心率等生命體征信息。第一部分說(shuō)明提供出色性能的分立電源電路設(shè)計(jì)解決方案,其使用MAX86171光脈沖血氧儀和心率傳感器模擬前端(AFE)。第二部分說(shuō)明用于空間受限應(yīng)用的集成解決方案。

開(kāi)關(guān)模式電源(也稱(chēng)為SMPS或DC-DC轉(zhuǎn)換器)通常用于可穿戴醫(yī)療健康應(yīng)用,其原因包括尺寸考慮和能效比等。設(shè)計(jì)人員可以使用這些電源來(lái)創(chuàng)建使用壽命更長(zhǎng)的電池供電產(chǎn)品。遺憾的是,設(shè)計(jì)人員仍然需要選擇適當(dāng)?shù)腟MPS器件,然后創(chuàng)建合適的電路板布局,以保護(hù)系統(tǒng)中生物傳感器件的性能。

為了簡(jiǎn)化和加快開(kāi)發(fā)流程,ADI公司提供經(jīng)過(guò)預(yù)先驗(yàn)證(即設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試)的電路設(shè)計(jì),以保障每個(gè)生物傳感AFE器件的信噪比(SNR)性能。本文詳細(xì)介紹這些電源電路,每個(gè)示例都附有驗(yàn)證檢查清單和故障排除指南,以在有需要的時(shí)候幫助電路設(shè)計(jì)人員。圖1顯示了許多遠(yuǎn)程病人監(jiān)測(cè)應(yīng)用中都會(huì)看到的標(biāo)準(zhǔn)電源框圖。

設(shè)計(jì)限值

image.png

注釋?zhuān)?/strong>

二次電池(LiPo)

一次電池(鋰紐扣電池)

設(shè)計(jì)配置

image.png

分立設(shè)計(jì)描述

這種DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)三輸出電源軌,以用于遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。該電路提供適當(dāng)?shù)碾妷汉拓?fù)載調(diào)整率,同時(shí)保持低輸出噪聲水平以維護(hù)生物傳感SNR性能,電源采用可充電鋰聚合物電池或一次鋰電池。圖2顯示了使用分立電源器件的PPG子系統(tǒng)。

關(guān)鍵元件

image.png

L1和C1是特別選擇的無(wú)源元件,對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換器(也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)模式電源)的性能至關(guān)重要。

使用nanoPower降壓轉(zhuǎn)換器的1.8V SMPS電路

以下電路基于MAX38640A nanoPower降壓轉(zhuǎn)換器(圖3),顯示了在遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用中正確操作SMPS器件的典型輸入和輸出電源電平。如圖3所示,可以使用數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)探測(cè)輸入和輸出端口,以驗(yàn)證電源電壓電平。電源輸出電平可能因?yàn)楦鞣N因素而不同,例如:

電池放電。

負(fù)載變化(器件模式變更、器件從睡眠模式喚醒等)。

1.8V SMPS電路驗(yàn)證檢查清單

以下電路驗(yàn)證檢查清單(圖4)旨在幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)1.8V SMPS電路印刷電路板組件進(jìn)行各項(xiàng)電氣基準(zhǔn)檢查。該清單也可用作產(chǎn)品測(cè)試的模板。

下表可用作檢查清單來(lái)驗(yàn)證模擬或數(shù)字1.8V SMPS電路的操作,該電路使用MAX38640A器件并連接到一個(gè)生物傳感電路負(fù)載。

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MAX38640A(1.8V輸出)SMPS電路故障排除

如果1.8V SMPS電路的操作出現(xiàn)問(wèn)題,以下電路故障排除說(shuō)明(圖5)可為設(shè)計(jì)人員提供幫助。本指南解決實(shí)現(xiàn)此類(lèi)開(kāi)關(guān)模式電源時(shí)可能遇到的最常見(jiàn)問(wèn)題。

MAX38640A SMPS電路故障排除:

第1步 – 檢查輸入電壓:使用內(nèi)部阻抗為1MΩ或更大的數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)(例如Fluke 87)測(cè)量MAX38640A器件輸入端的電壓。務(wù)必將負(fù)極“黑色”引線連接到地,正極“紅色”引線連接到器件的輸入“IN”引腳。如果輸入引腳不易接近,請(qǐng)將引線穿過(guò)輸入電容CIN。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)題:

輸入電壓讀數(shù)

潛在原因

操作

注釋

零伏/無(wú)讀數(shù)

電池未充電。

電池有缺陷。

 

 

斷開(kāi)電池并檢查電壓。如果讀數(shù)為0V,請(qǐng)給電池充電。

如果無(wú)法充電,請(qǐng)更換電池。


無(wú)電池連接(IN或GND線)。

斷開(kāi)電池,測(cè)試從電池連接器到器件輸入的電導(dǎo)率。

PCB可能有開(kāi)路。


輸入電容對(duì)地短路

斷開(kāi)電池,檢查電容的連續(xù)性。

電容損壞;

PCB可能有短路。


EN引腳接地。

斷開(kāi)電池,測(cè)試從EN引腳到地的電導(dǎo)率。

EN引腳需要綁定高電平才能正常工作。

讀數(shù) < 3.0V

(LiPo電池)

讀數(shù) < 2.0V

(鋰離子電池)

電池電量低

電池有缺陷。

斷開(kāi)電池并檢查電壓。如果讀數(shù)低于2.8V,請(qǐng)給電池充電。

如果無(wú)法充電,請(qǐng)更換電池。

3.0V ≥ 讀數(shù) ≤ 4.2V

(LiPo電池)

2.0V ≥ 讀數(shù) ≤ 3.4V

(鋰離子電池)


無(wú)操作。

輸入電壓正常,繼續(xù)第2步。

讀數(shù) ≥ 4.2V

(LiPo電池)

讀數(shù) ≥ 3.4V

(鋰離子電池)

電池有缺陷。

更換電池。


第2步 – 檢查電感信號(hào)波形:使用示波器或數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)探測(cè)MAX38640A器件上的LX引腳。如果輸入引腳不易接近,請(qǐng)將探頭放在電感端電容上。

注釋?zhuān)航ㄗh使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。

如果電路在輕負(fù)載(即小于50mA)下運(yùn)行,則波形應(yīng)如圖6所示。

如果電路在重負(fù)載下運(yùn)行,則波形應(yīng)為方波,上升沿和下降沿的振鈴最小,如圖7所示。

方波幅度應(yīng)約等于輸入電池電壓。方波底電壓應(yīng)在地以下約200mV至300mV(例如-250mV)。占空比與輸出電壓成正比。因此,當(dāng)產(chǎn)生1.8V的輸出電壓時(shí),3.6V的輸入電池電壓將具有大約50%的占空比。圖8顯示了占空比和輸出電壓的關(guān)系。

與理想方波的偏差可用于有效診斷和解決許多問(wèn)題。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)題:

輸入波形

潛在原因

操作

注釋

幅度不正確

電感開(kāi)路。

IN引腳開(kāi)路

EN開(kāi)路或接地

斷開(kāi)電池并檢查與DMM的所有連接。

如果需要,修理PCB。

占空比不正確(不與輸出電壓相關(guān))

RSEL的值不正確(768KΩ)。外部電阻損壞。

斷開(kāi)電池,使用DMM(R測(cè)量)檢查RSEL 

更換為正確阻值的電阻。


RSEL引腳開(kāi)路(Vo = 2.5V)。

檢查2.5V的輸出。

斷開(kāi)電池,測(cè)試從電阻到RSEL引腳的電導(dǎo)率。

PCB可能有開(kāi)路。


RSEL引腳對(duì)地短路(Vo=0.8V)

檢查0.8V的輸出。

斷開(kāi)電池并測(cè)量電容兩端的電阻。

PCB可能有短路。

波形失真

圓形上升沿

電感連接不良

重新連接電感。    更換電感。

連接不良會(huì)導(dǎo)致線路電阻較高

第3A步 – 檢查輸出直流電壓:使用內(nèi)部阻抗為1MΩ或更大的DMM(例如Fluke 87)測(cè)量MAX38640A器件輸出端的電壓。務(wù)必將負(fù)極“黑色”引線接地,正極“紅色”引線連接到器件的輸出“OUT”引腳。如果輸出引腳不易接近,請(qǐng)將引線穿過(guò)輸出電容COUT。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)題:

輸出電壓讀數(shù)

潛在原因

操作

注釋

零伏/無(wú)讀數(shù)

從SMPS到COUT無(wú)連接

斷開(kāi)電池,測(cè)試從輸出到COUT的電導(dǎo)率

PCB可能有開(kāi)路。


輸出電容對(duì)地短路

斷開(kāi)電池,檢查電容的連續(xù)性。

PCB可能有短路。

讀數(shù)過(guò)低

(< 1.71 VDC)

電感值錯(cuò)誤

電感飽和

RSEL值錯(cuò)誤

斷開(kāi)電池,檢查電感和/或電阻值。


1.71V ≥ 讀數(shù) ≤ 1.89


無(wú)操作。

可工作。

讀數(shù)過(guò)高

(> 1.89 VDC)

RSEL值錯(cuò)誤

斷開(kāi)電池并檢查RSEL值。


第3B步 – 檢查輸出交流電壓:使用示波器或DSO,通過(guò)探測(cè)MAX38640A器件上的OUT引腳來(lái)測(cè)量輸出紋波(AC)。為了正確測(cè)量輸出并最大限度地減少射頻拾取,建議使用10x豬尾引線探頭。也可以使用差分有源探頭以進(jìn)一步降低環(huán)境噪聲。

注釋?zhuān)航ㄗh使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。

如果電路工作正常,波形應(yīng)該是1.8VDC輸出,上面疊加一個(gè)小紋波波形。圖9顯示了紋波波形。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)題:

輸入波形

潛在原因

操作

注釋

紋波幅度過(guò)高(> 20mVpp)

電容值錯(cuò)誤;電容有缺陷。

斷開(kāi)電池并檢查與DMM的所有連接;測(cè)量電容值。


紋波頻率與VLX 方波頻率不匹配

輕負(fù)載

檢查負(fù)載


寬帶噪聲過(guò)高

負(fù)載過(guò)大;環(huán)境噪聲。

檢查負(fù)載和環(huán)境噪聲。

在輸出端使用豬尾引線10x探頭或有源差分探頭以降低環(huán)境噪聲。

躍遷尖峰過(guò)高(> 30mVp)

負(fù)載電感;

輸入電流不足。

檢查線路電感;用示波器檢查輸入電流。


使用低噪聲降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的5.0V SMPS電路

以下電路基于MAX20343H低噪聲降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,顯示了在遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用中正確操作SMPS器件的典型輸入和輸出電源電平。如圖10所示,可以使用DMM探測(cè)輸入和輸出端口,以驗(yàn)證電源電壓電平。電源輸出電平可能因?yàn)楦鞣N因素而不同,例如:

電池放電。

負(fù)載變化(器件模式變更、器件從睡眠模式喚醒等)。

5.0V SMPS電路驗(yàn)證檢查清單

以下電路驗(yàn)證檢查清單(圖10)旨在幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)5.0V SMPS電路印刷電路板組件進(jìn)行各項(xiàng)電氣基準(zhǔn)檢查。該清單也可用作產(chǎn)品測(cè)試的模板。

下表可用作檢查清單來(lái)驗(yàn)證模擬5.0V SMPS電路的操作,該電路使用MAX20343H器件并連接到一個(gè)生物傳感電路負(fù)載。

步驟

操作

程序步驟

測(cè)量

需要幫助?

1

檢查輸入直流電源

 

LP401230 LiPo電池

CR2032鋰紐扣電池

測(cè)量電池兩端的電壓

讀數(shù)范圍:

 

 

3.0V – 4.2V

2.0V – 3.4

故障排除說(shuō)明

2

檢查輸入直流電源

 

LP401230 LiPo電池

CR2032鋰紐扣電池

測(cè)量CIN兩端的電壓

讀數(shù)范圍:

 

 

3.0V – 4.2V

2.0V – 3.4

3

檢查Vout直流電平

測(cè)量COUT兩端的電壓

讀數(shù)范圍:

4.75V – 5.25V

4

檢查Vout直流電平

測(cè)量負(fù)載兩端的電壓

讀數(shù)范圍:

4.75V – 5.25V

5

檢查輸出噪聲電平

使用豬尾引線10x單端探頭或差分有源探頭

紋波噪聲電平應(yīng) < 20mVpp

5.0V SMPS電路故障排除指南

如果5.0V SMPS電路的操作出現(xiàn)問(wèn)題,以下電路故障排除說(shuō)明(圖11)可為設(shè)計(jì)人員提供幫助。本指南解決實(shí)現(xiàn)此類(lèi)開(kāi)關(guān)模式電源時(shí)可能遇到的最常見(jiàn)問(wèn)題。

MAX20343H SMPS電路故障排除:

第1步 – 檢查輸入電壓:使用內(nèi)部阻抗為1MΩ或更大的DMM(例如Fluke 87)測(cè)量MAX20343H器件輸入端的電壓。務(wù)必將負(fù)極“黑色”引線連接到地,正極“紅色”引線連接到器件的輸入“IN”引腳。如果輸入引腳不易接近,請(qǐng)將引線穿過(guò)輸入電容CIN。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)題:

輸入電壓讀數(shù)

潛在原因

操作

注釋

零伏/無(wú)讀數(shù)

電池未充電。

電池有缺陷。

 

斷開(kāi)電池并檢查電壓。如果讀數(shù)為0V,請(qǐng)給電池充電。

如果無(wú)法充電,請(qǐng)更換電池。


無(wú)電池連接(IN或GND線)

斷開(kāi)電池,測(cè)試從電池連接器到器件輸入的電導(dǎo)率。

PCB可能有開(kāi)路。


輸入電容對(duì)地短路

斷開(kāi)電池,檢查電容的連續(xù)性。

PCB可能有短路。


EN引腳(SDA/EN)接地

斷開(kāi)電池,測(cè)試從電池連接器到器件輸入的電導(dǎo)率。

EN引腳需要綁定高電平才能正常工作。

讀數(shù) < 2.8V

電池電量低

電池有缺陷

斷開(kāi)電池并檢查電壓。如果讀數(shù)低于2.8V,請(qǐng)給電池充電。

如果無(wú)法充電,請(qǐng)更換電池。

2.8V ≥ 讀數(shù) ≤ 4.2V


無(wú)操作。

輸入電壓正常。繼續(xù)第2步。

讀數(shù) ≥ 4.2V

電池有缺陷

更換電池。


第2步 – 檢查電感信號(hào)波形:使用示波器或DSO探測(cè)MAX20343H器件上的HVLX引腳。如果輸入引腳不易接近,請(qǐng)將探頭放在電感端電容上。

注釋?zhuān)航ㄗh使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。

如果電路正常工作,則波形應(yīng)為脈沖波,上升沿和下降沿的振鈴最小,如圖12所示。

500ns脈沖波幅值應(yīng)約等于輸入電池電壓。脈沖波底電壓應(yīng)在地電位的100mV以內(nèi)。脈沖波的輸出頻率和占空比與負(fù)載電流成正比。圖13和14顯示了不同負(fù)載條件下的輸出波形和信號(hào)頻率。

與理想方波的偏差可用于有效診斷和解決許多問(wèn)題。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)題:

輸入波形

潛在原因

操作

注釋

幅度不正確

電感開(kāi)路。

IN引腳開(kāi)路

EN開(kāi)路或接地

斷開(kāi)電池并檢查與DMM的所有連接。

如果需要,修理PCB。

占空比不正確(不與輸出電壓相關(guān))

RSEL的值不正確(6.65KΩ)。外部電阻損壞。

斷開(kāi)電池,使用DMM(R測(cè)量)檢查RSEL

更換為正確阻值的電阻。


RSEL引腳開(kāi)路(Vo=3.3V)

檢查3.3V的輸出

斷開(kāi)電池,測(cè)試從電阻到RSEL引腳的電導(dǎo)率。

PCB可能有開(kāi)路。


RSEL引腳對(duì)地短路(Vo=5.5V)

檢查5.5V的輸出

斷開(kāi)電池并測(cè)量電容兩端的電阻。

PCB可能有短路。

波形失真

圓形上升沿

電感連接不良。

重新連接電感。更換電感。

連接不良會(huì)導(dǎo)致線路電阻較高

第3A步 – 檢查輸出直流電壓:使用內(nèi)部阻抗為1MΩ或更大的DMM(例如Fluke 87)測(cè)量MAX20343H器件輸出端的電壓。務(wù)必將負(fù)極“黑色”引線接地,正極“紅色”引線連接到器件的輸出“OUT”引腳。如果輸出引腳不易接近,請(qǐng)將引線穿過(guò)輸出電容COUT。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)題:

輸出電壓讀數(shù)

潛在原因

操作

注釋

零伏/無(wú)讀數(shù)

從SMPS到COUT無(wú)連接

斷開(kāi)電池,測(cè)試從輸出到COUT的電導(dǎo)率

PCB可能有開(kāi)路。


輸出電容對(duì)地短路

斷開(kāi)電池,檢查電容的連續(xù)性。

PCB可能有短路。

讀數(shù)過(guò)低

(< 4.75 VDC)

電感值錯(cuò)誤

電感飽和

RSEL值錯(cuò)誤

斷開(kāi)電池,檢查電感和/或電阻值。


4.75V ≥ 讀數(shù) ≤ 5.25V


無(wú)操作。

可工作。

讀數(shù)過(guò)高

(> 5.25 VDC)

RSEL值錯(cuò)誤

斷開(kāi)電池并檢查RSEL值。


第3B步 – 檢查輸出交流電壓:使用示波器或DSO,通過(guò)探測(cè)MAX20343H器件上的OUT引腳來(lái)測(cè)量輸出紋波(AC)。為了正確測(cè)量輸出并最大限度地減少射頻拾取,建議使用10x豬尾引線探頭。也可以使用差分有源探頭以進(jìn)一步降低環(huán)境噪聲。

注釋?zhuān)航ㄗh使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。

如果電路工作正常,波形應(yīng)該是1.8VDC輸出,上面疊加一個(gè)小紋波波形。圖15顯示了紋波波形。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)題:

輸入波形

潛在原因

操作

注釋

紋波幅度過(guò)高

電容值錯(cuò)誤;電容有缺陷

斷開(kāi)電池并檢查與DMM的所有連接;測(cè)量電容值


紋波頻率與VHVLX 脈沖波頻率不匹配

輕負(fù)載

檢查負(fù)載


寬帶噪聲過(guò)高

負(fù)載過(guò)大;環(huán)境噪聲。

檢查負(fù)載和環(huán)境噪聲。

 在輸出端使用豬尾引線10x探頭或有源差分探頭以降低環(huán)境噪聲。

 

躍遷尖峰過(guò)高

負(fù)載電感;

輸入電流不足

檢查線路電感;用示波器檢查輸入電流。


結(jié)語(yǔ)

本文分為兩部分,以上內(nèi)容是第一部分,介紹了配合基于MAX86171的PPG使用的預(yù)驗(yàn)證分立電源電路。這些電源電路也可以配合基于MAX86141的PPG器件使用。

本文第二部分介紹配合基于MAX86171和基于MAX86141的PPG使用的預(yù)驗(yàn)證集成電源電路。

欲了解分立和集成電源實(shí)現(xiàn)方案的相應(yīng)驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù),請(qǐng)?jiān)L問(wèn)Maxim Integrated(現(xiàn)為ADI公司一部分)網(wǎng)站:

“適用于”。

參考文獻(xiàn):

用于生命體征監(jiān)護(hù)儀的

設(shè)計(jì)高精度、可穿戴的光學(xué)心率監(jiān)護(hù)儀

關(guān)于作者

Felipe Neira

應(yīng)用技術(shù)團(tuán)隊(duì)高級(jí)成員 - 培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)

Maxim Integrated(現(xiàn)為ADI公司一部分)

作者簡(jiǎn)介:Felipe Neira是Maxim Integrated(現(xiàn)為ADI公司一部分)的應(yīng)用工程師。他喜歡鉆研便攜式和可穿戴解決方案,側(cè)重于健康傳感器的電池電源管理。此外,他為ADI公司的所有廣泛市場(chǎng)產(chǎn)品提供技術(shù)支持。Felipe畢業(yè)于加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校,獲電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE),畢業(yè)后不久即加入本公司。

Marc Smith

應(yīng)用技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要成員

Maxim Integrated(現(xiàn)為ADI公司一部分)

作者簡(jiǎn)介:Marc Smith是Maxim Integrated(現(xiàn)為ADI公司一部分)的健康與醫(yī)療生物傳感應(yīng)用技術(shù)團(tuán)隊(duì)的成員。他是MEMS和傳感器技術(shù)領(lǐng)域的行業(yè)專(zhuān)家,在針對(duì)多個(gè)市場(chǎng)的傳感器產(chǎn)品和電子開(kāi)發(fā)方面擁有超過(guò)30年的經(jīng)驗(yàn)。Marc擁有12項(xiàng)專(zhuān)利,并撰寫(xiě)了十多份出版物。他獲得了加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)和加利福尼亞圣瑪麗學(xué)院的工商管理碩士學(xué)位(MBA)。



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