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
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您將會學(xué)到什么知識：
● 了解如何根據(jù)PPG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（第二部分）的開關(guān)模式電源參考電路的實現(xiàn)。
● 理解電源性能測試方法，以在不同器件用例和瞬態(tài)加載條件下驗證系統(tǒng)。
● 獲取檢查清單以驗證實現(xiàn)。
● 獲得故障排除知識以解決實施問題。
本文分兩部分，介紹經(jīng)過預(yù)先驗證的針對光電容積脈搏波(PPG)遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測應(yīng)用的電源電路設(shè)計，包括具有出色系統(tǒng)信噪比性能的生物傳感器。PPG器件可用來測量血容量的變化，從中得出血氧水平和心率等生命體征信息。第一部分說明提供出色性能的分立電源電路設(shè)計解決方案，其使用MAX86171光脈沖血氧儀和心率傳感器模擬前端(AFE)。第二部分說明用于空間受限應(yīng)用的集成解決方案。
開關(guān)模式電源（也稱為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)計人員可以使用這些電源來創(chuàng)建使用壽命更長的電池供電產(chǎn)品。遺憾的是，設(shè)計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。
為了簡化和加快開發(fā)流程，ADI公司提供經(jīng)過預(yù)先驗證（即設(shè)計、構(gòu)建和測試）的電源子系統(tǒng)電路設(shè)計，以保障每個生物傳感AFE器件的信噪比(SNR)性能。本文詳細(xì)介紹這些電源電路，每個示例都附有驗證檢查清單和故障排除指南，以在有需要的時候幫助電路設(shè)計人員。圖1顯示了許多遠(yuǎn)程病人監(jiān)測應(yīng)用中都會看到的標(biāo)準(zhǔn)電源框圖。
設(shè)計限值
注釋：
二次電池(LiPo)
一次電池（鋰紐扣電池）
設(shè)計配置
分立設(shè)計描述
這種DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計可調(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
L1和C1是特別選擇的無源元件，對于DC-DC轉(zhuǎn)換器（也稱為開關(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)字萬用表(DMM)探測輸入和輸出端口，以驗證電源電壓電平。電源輸出電平可能因為各種因素而不同，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電路驗證檢查清單
以下電路驗證檢查清單（圖4）旨在幫助設(shè)計人員對1.8V SMPS電路印刷電路板組件進(jìn)行各項電氣基準(zhǔn)檢查。該清單也可用作產(chǎn)品測試的模板。
下表可用作檢查清單來驗證模擬或數(shù)字1.8V SMPS電路的操作，該電路使用MAX38640A器件并連接到一個生物傳感電路負(fù)載。
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)問題，以下電路故障排除說明（圖5）可為設(shè)計人員提供幫助。本指南解決實現(xiàn)此類開關(guān)模式電源時可能遇到的最常見問題。
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)字萬用表(DMM)（例如Fluke 87）測量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，請將引線穿過輸入電容CIN。
使用下表診斷和解決相關(guān)問題：
輸入電壓讀數(shù) | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
零伏/無讀數(shù) | 電池未充電。 電池有缺陷。
| 斷開電池并檢查電壓。如果讀數(shù)為0V，請給電池充電。 | 如果無法充電，請更換電池。 |
無電池連接（IN或GND線）。 | 斷開電池，測試從電池連接器到器件輸入的電導(dǎo)率。 | PCB可能有開路。 | |
輸入電容對地短路 | 斷開電池，檢查電容的連續(xù)性。 | 電容損壞； PCB可能有短路。 | |
EN引腳接地。 | 斷開電池，測試從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。 | 斷開電池并檢查電壓。如果讀數(shù)低于2.8V，請給電池充電。 | 如果無法充電，請更換電池。 |
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 – 檢查電感信號波形：使用示波器或數(shù)字存儲示波器(DSO)探測MAX38640A器件上的LX引腳。如果輸入引腳不易接近，請將探頭放在電感端電容上。
注釋：建議使用最小帶寬為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，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題。
使用下表診斷和解決相關(guān)問題：
輸入波形 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
幅度不正確 | 電感開路。 IN引腳開路 EN開路或接地 | 斷開電池并檢查與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。 | 斷開電池，使用DMM（R測量）檢查RSEL | 更換為正確阻值的電阻。 |
RSEL引腳開路(Vo = 2.5V)。 | 檢查2.5V的輸出。 斷開電池，測試從電阻到RSEL引腳的電導(dǎo)率。 | PCB可能有開路。 | |
RSEL引腳對地短路(Vo=0.8V) | 檢查0.8V的輸出。 斷開電池并測量電容兩端的電阻。 | 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，請將引線穿過輸出電容COUT。
使用下表診斷和解決相關(guān)問題：
輸出電壓讀數(shù) | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
零伏/無讀數(shù) | 從SMPS到COUT無連接 | 斷開電池，測試從輸出到COUT的電導(dǎo)率 | PCB可能有開路。 |
輸出電容對地短路 | 斷開電池，檢查電容的連續(xù)性。 | PCB可能有短路。 | |
讀數(shù)過低 (< 1.71 VDC) | 電感值錯誤 電感飽和 RSEL值錯誤 | 斷開電池，檢查電感和/或電阻值。 | |
1.71V ≥ 讀數(shù) ≤ 1.89 | 無操作。 | 可工作。 | |
讀數(shù)過高 (> 1.89 VDC) | RSEL值錯誤 | 斷開電池并檢查RSEL值。 |
第3B步 – 檢查輸出交流電壓：使用示波器或DSO，通過探測MAX38640A器件上的OUT引腳來測量輸出紋波(AC)。為了正確測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：建議使用最小帶寬為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)問題：
輸入波形 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
紋波幅度過高(> 20mVpp) | 電容值錯誤；電容有缺陷。 | 斷開電池并檢查與DMM的所有連接；測量電容值。 | |
紋波頻率與VLX 方波頻率不匹配 | 輕負(fù)載 | 檢查負(fù)載 | |
寬帶噪聲過高 | 負(fù)載過大；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探測輸入和輸出端口，以驗證電源電壓電平。電源輸出電平可能因為各種因素而不同，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電路驗證檢查清單
以下電路驗證檢查清單（圖10）旨在幫助設(shè)計人員對5.0V SMPS電路印刷電路板組件進(jìn)行各項電氣基準(zhǔn)檢查。該清單也可用作產(chǎn)品測試的模板。
下表可用作檢查清單來驗證模擬5.0V SMPS電路的操作，該電路使用MAX20343H器件并連接到一個生物傳感電路負(fù)載。
步驟 | 操作 | 程序步驟 | 測量 | 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 | 故障排除說明 |
2 | 檢查輸入直流電源
LP401230 LiPo電池 CR2032鋰紐扣電池 | 測量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)問題，以下電路故障排除說明（圖11）可為設(shè)計人員提供幫助。本指南解決實現(xiàn)此類開關(guān)模式電源時可能遇到的最常見問題。
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，請將引線穿過輸入電容CIN。
使用下表診斷和解決相關(guān)問題：
輸入電壓讀數(shù) | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
零伏/無讀數(shù) | 電池未充電。 電池有缺陷。
| 斷開電池并檢查電壓。如果讀數(shù)為0V，請給電池充電。 | 如果無法充電，請更換電池。 |
無電池連接（IN或GND線） | 斷開電池，測試從電池連接器到器件輸入的電導(dǎo)率。 | PCB可能有開路。 | |
輸入電容對地短路 | 斷開電池，檢查電容的連續(xù)性。 | PCB可能有短路。 | |
EN引腳(SDA/EN)接地 | 斷開電池，測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 | 斷開電池并檢查電壓。如果讀數(shù)低于2.8V，請給電池充電。 | 如果無法充電，請更換電池。 |
2.8V ≥ 讀數(shù) ≤ 4.2V | 無操作。 | 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 – 檢查電感信號波形：使用示波器或DSO探測MAX20343H器件上的HVLX引腳。如果輸入引腳不易接近，請將探頭放在電感端電容上。
注釋：建議使用最小帶寬為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頻率。
與理想方波的偏差可用于有效診斷和解決許多問題。
使用下表診斷和解決相關(guān)問題：
輸入波形 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
幅度不正確 | 電感開路。 IN引腳開路 EN開路或接地 | 斷開電池并檢查與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。 | 斷開電池，使用DMM（R測量）檢查RSEL | 更換為正確阻值的電阻。 |
RSEL引腳開路(Vo=3.3V) | 檢查3.3V的輸出 斷開電池，測試從電阻到RSEL引腳的電導(dǎo)率。 | PCB可能有開路。 | |
RSEL引腳對地短路(Vo=5.5V) | 檢查5.5V的輸出 斷開電池并測量電容兩端的電阻。 | 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，請將引線穿過輸出電容COUT。
使用下表診斷和解決相關(guān)問題：
輸出電壓讀數(shù) | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
零伏/無讀數(shù) | 從SMPS到COUT無連接 | 斷開電池，測試從輸出到COUT的電導(dǎo)率 | PCB可能有開路。 |
輸出電容對地短路 | 斷開電池，檢查電容的連續(xù)性。 | PCB可能有短路。 | |
讀數(shù)過低 (< 4.75 VDC) | 電感值錯誤 電感飽和 RSEL值錯誤 | 斷開電池，檢查電感和/或電阻值。 | |
4.75V ≥ 讀數(shù) ≤ 5.25V | 無操作。 | 可工作。 | |
讀數(shù)過高 (> 5.25 VDC) | RSEL值錯誤 | 斷開電池并檢查RSEL值。 |
第3B步 – 檢查輸出交流電壓：使用示波器或DSO，通過探測MAX20343H器件上的OUT引腳來測量輸出紋波(AC)。為了正確測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：建議使用最小帶寬為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)問題：
輸入波形 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
紋波幅度過高 | 電容值錯誤；電容有缺陷 | 斷開電池并檢查與DMM的所有連接；測量電容值 | |
紋波頻率與VHVLX 脈沖波頻率不匹配 | 輕負(fù)載 | 檢查負(fù)載 | |
寬帶噪聲過高 | 負(fù)載過大；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
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遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)護(hù)儀使用的預(yù)驗證分立電源電路。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遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)護(hù)儀使用的預(yù)驗證集成電源電路。
欲了解分立和集成電源實現(xiàn)方案的相應(yīng)驗證測試數(shù)據(jù)，請訪問Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司一部分）網(wǎng)站：
“適用于遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)護(hù)儀的電源子系統(tǒng)”。
參考文獻(xiàn)：
用于生命體征監(jiān)護(hù)儀的電源子系統(tǒng)
設(shè)計高精度、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)隊高級成員 - 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)隊主要成員
Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司一部分）
作者簡介：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)隊的成員。他是MEMS和傳感器技術(shù)領(lǐng)域的行業(yè)專家，在針對多個市場的傳感器產(chǎn)品和電子開發(fā)方面擁有超過30年的經(jīng)驗。Marc擁有12項專利，并撰寫了十多份出版物。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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