凌力爾特：醫(yī)療電子對(duì)可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性有更高的要求

　　凌力爾特從開(kāi)始就一直服務(wù)于醫(yī)療市場(chǎng)。我們最近看到，低功率精確組件已經(jīng)使便攜式和無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。不過(guò)，與其他很多應(yīng)用不同，這些醫(yī)療產(chǎn)品通常對(duì)可靠性、運(yùn)行時(shí)間和堅(jiān)固性有高得多的要求。這種負(fù)擔(dān)大部分落到了電源系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療產(chǎn)品必須在使用各種電源時(shí)正確運(yùn)行，并能夠在這些電源之間無(wú)縫切換，例如 AC 電源插座、備份電池甚至收集的環(huán)境能源。此外，必須花費(fèi)大量時(shí)間研究怎樣針對(duì)故障提供保護(hù)和容錯(cuò)，怎樣在電池供電時(shí)最大限度延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，以及確保無(wú)論有效電源是否存在，系統(tǒng)都能正常運(yùn)行。

　　目前，促進(jìn)便攜式和無(wú)線(xiàn)醫(yī)療儀器增長(zhǎng)的主要趨勢(shì)之一是患者護(hù)理。尤其是，位于患者家中的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的使用日漸增多。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因從本質(zhì)上說(shuō)純粹是經(jīng)濟(jì)性的，讓患者住在醫(yī)院的成本簡(jiǎn)直令人望而卻步。因此，這類(lèi)便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)很多都必須納入 RF 發(fā)送器，以便所收集的任何患者數(shù)據(jù)都能夠直接發(fā)送到位于醫(yī)院中的監(jiān)察系統(tǒng)，方便主管醫(yī)生查閱和分析。

　　凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Tony Armstrong

　　考慮到以上情況，可以合理假定，向患者提供合適的醫(yī)療儀器供他們?cè)诩依锸褂茫茸尰颊咦≡河^察成本更低。然而，非常重要的一點(diǎn)是，患者使用的設(shè)備必須可靠、萬(wàn)無(wú)一失。因此，這類(lèi)產(chǎn)品的制造商和設(shè)計(jì)師都必須確保這些產(chǎn)品可以無(wú)縫地用多種電源運(yùn)行，并非常可靠地?zé)o線(xiàn)傳送所收集的患者數(shù)據(jù)。這就要求設(shè)計(jì)師確保電源管理架構(gòu)可靠、靈活、緊湊和高效率。

　　幸運(yùn)的是，凌力爾特公司憑借自己的產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)，針對(duì)這些問(wèn)題提供了解決方案。既然醫(yī)療電子系統(tǒng)中有很多應(yīng)用需要連續(xù)供電，甚至在交流供電系統(tǒng)中斷時(shí)，那么一個(gè)關(guān)鍵要求就是低靜態(tài)電流，以延長(zhǎng)電池壽命。相應(yīng)地，凌力爾特自2000年以來(lái)，一直生產(chǎn)備用靜態(tài)電流低于100mA的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。實(shí)際上，我們最近推出的一些產(chǎn)品，其靜態(tài)電流已經(jīng)低至2.5mA了。因此，這些產(chǎn)品已經(jīng)為進(jìn)入采用備份電池的醫(yī)療電子系統(tǒng)做好了準(zhǔn)備。

　　盡管開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器比線(xiàn)性穩(wěn)壓器產(chǎn)生更大的噪聲，但是其效率出色得多。在很多敏感應(yīng)用中已經(jīng)證明，只要開(kāi)關(guān)行為可預(yù)測(cè)，那么噪聲和 EMI 的大小就都是可控的。如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在正常工作模式以恒定頻率切換，且開(kāi)關(guān)邊沿是干凈和可預(yù)測(cè)的，沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴，那么 EMI 就可以最小化。小型封裝和高工作頻率可以提供占板面積很小的緊湊布局，這最大限度減小了 EMI 輻射。此外，如果穩(wěn)壓器可以使用低 ESR 陶瓷電容器，那么輸入和輸出電壓紋波都可以最小化，這兩種紋波都是系統(tǒng)中額外的噪聲源。

　　在如今功能豐富的醫(yī)療設(shè)備中，電源軌的數(shù)量已經(jīng)增多了，但是工作電壓卻在持續(xù)降低。然而，很多這類(lèi)系統(tǒng)仍然需要 3V、3.3V 或 3.6V 軌，以給低功率傳感器、存儲(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。此外，因?yàn)獒t(yī)療系統(tǒng)的正常運(yùn)行有時(shí)是至關(guān)重要的，因此很多系統(tǒng)都采用了備份電池，以防給系統(tǒng)供電的交流電源發(fā)生故障。

　　過(guò)去，這類(lèi)系統(tǒng)的電壓軌是由降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器供電的。不過(guò)，因?yàn)檫@類(lèi) IC 不能利用電池的全部工作范圍，所以縮短了設(shè)備電池的可能運(yùn)行時(shí)間。因此，當(dāng)使用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器時(shí) (可以提高或降低電壓)，將允許利用電池的全部工作范圍。這增大了運(yùn)行裕度，并延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間，因?yàn)槔昧烁嚯姵乜捎秒娏?，尤其是在靠近放電曲線(xiàn)的較低端時(shí)。

　　顯然，滿(mǎn)足主電池系統(tǒng)應(yīng)用需求并解決上述有關(guān)問(wèn)題的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：

　　1) 降壓-升壓型 DC/DC 架構(gòu)，具備很寬的輸入電壓范圍，可通過(guò)各種電池電源、在相關(guān)電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)Vout。

　　2) 運(yùn)行模式和停機(jī)模式都具備超低靜態(tài)電流，以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。

　　3) 能夠以高效率給系統(tǒng)軌供電。

　　4) 能夠在不對(duì) IC 靜態(tài)電流造成顯著影響的情況下，準(zhǔn)確進(jìn)行庫(kù)倫計(jì)數(shù)，以確定電池的充電狀態(tài)。

　　5) 限制電流以衰減浪涌電流，保護(hù)電池。

　　6) 小型、很輕和扁平的解決方案。

　　7) 先進(jìn)封裝提高熱性能和空間利用率。

　　凌力爾特最近推出的產(chǎn)品LTC3335就具備了上述所有特性，這是一款集成了庫(kù)倫計(jì)數(shù)器的毫微功率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。該器件為主電池應(yīng)用而設(shè)計(jì)，這類(lèi)應(yīng)用需要真正的低靜態(tài)電流，還需要知道有關(guān)剩余電池電量的信息。或者說(shuō)，需要知道庫(kù)倫計(jì)數(shù)器檢測(cè)到的潛在電池組件或負(fù)載泄漏達(dá)到什么程度，才可以確認(rèn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。參見(jiàn)圖1。

　　圖 1：集成了庫(kù)倫計(jì)數(shù)器的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器LTC3335

　　(Battery：電池、Coulomb Counter：庫(kù)倫計(jì)數(shù)器、Buck-Boost Converter：降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器、

　　Load：負(fù)載)

　　LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置了精確的庫(kù)倫計(jì)數(shù)器，提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流。該器件具備僅為 680nA 的靜態(tài)電流和從低至 5mA 到高達(dá) 250mA 的可編程峰值輸入電流，非常適合多種低功率電池應(yīng)用，例如使用備份電池的便攜式健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中那類(lèi)電池應(yīng)用。其 1.8V 至 5.5V 輸入范圍和 8 個(gè) 1.8V 至 5V 的用戶(hù)可選輸出提供了一個(gè)穩(wěn)定的輸出電源，輸入電壓可以高于、低于或等于輸出。此外，該器件集成了精確的 (電池放電測(cè)量準(zhǔn)確度為±5%) 庫(kù)倫計(jì)數(shù)器，在長(zhǎng)壽命不可再充電電池供電應(yīng)用中，可準(zhǔn)確監(jiān)視累計(jì)電池放電量，這類(lèi)電池供電應(yīng)用很多都有極度平坦的電池放電曲線(xiàn)。LTC3335 包括 4 個(gè)內(nèi)部低RDSON MOSFET，可提供高達(dá) 90% 的效率。其他特點(diǎn)包括可編程放電報(bào)警門(mén)限、用于庫(kù)倫計(jì)數(shù)和器件設(shè)定的 I2C 接口、一個(gè)電源良好輸出以及 8 個(gè)從 5mA 至高達(dá) 250mA 的可選峰值輸入電流，以適合多種類(lèi)型和尺寸的電池。LTC3335 的工作結(jié)溫范圍為-40°C 至 +125°C，采用耐熱增強(qiáng)型 20 引線(xiàn) 3mm x 4mm QFN 封裝。