【導讀】隨著人們的健康意識不斷提高，以及通過監(jiān)測來預防或治療多種疾病的技術不斷涌現，消費者也越來越關注對自身健康的監(jiān)測。例如，糖尿病、肥胖和高膽固醇等健康問題越來越多（這些很大程度上都是生活方式改變導致的），與此同時，智能手機和可穿戴設備的興起讓消費者能夠使用健康監(jiān)測應用來幫助他們保持最佳健康狀態(tài)。
隨著人們的健康意識不斷提高，以及通過監(jiān)測來預防或治療多種疾病的技術不斷涌現，消費者也越來越關注對自身健康的監(jiān)測。例如，糖尿病、肥胖和高膽固醇等健康問題越來越多（這些很大程度上都是生活方式改變導致的），與此同時，智能手機和可穿戴設備的興起讓消費者能夠使用健康監(jiān)測應用來幫助他們保持最佳健康狀態(tài)。
以患者為中心的醫(yī)療保健應用能夠為用戶提供用藥時間、消耗的卡路里數、身體脫水程度等信息。通常都是借助手機監(jiān)測。例如，蘋果公司表示，iPhone用戶平均每天解鎖手機80次，因而手機成為接收和查看生物特征數據的理想工具。這為醫(yī)療保健應用開發(fā)人員以及便攜式健康監(jiān)測產品硬件平臺制造商帶來龐大的目標客戶群。
隨著醫(yī)療健康信息技術系統(tǒng)的不斷發(fā)展，現在醫(yī)生能夠在患者同意的情況下訪問獲取患者的數據。用戶可以使用手機獲取常規(guī)檢查報告，也可以輕松查看放射學和病理學報告，毫無疑 問，這會大大促進以患者為中心的醫(yī)療健康應用的普及。圖1所示為一個監(jiān)測系統(tǒng)示例。
圖1. 患者居家治療監(jiān)測示例
醫(yī)療設備數十年來，ADI公司面向醫(yī)療市場提供各種技術服務。我們注意到，低功耗精密元件推動了便攜式和無線醫(yī)療設備的快速發(fā)展。此類醫(yī)療產品的可靠性、運行時間和耐久性都需要達到很高的標準，其中相當部分要求都是針對電源管理系統(tǒng)及其組件。醫(yī)療監(jiān)控產品必須正常運行，并且可以在各種電源（例如電池、交流電源插座、超級電容器，甚至環(huán)境能量收集源）之間無縫切換。
電源系統(tǒng)架構師必須設計能夠防止出現故障狀況，且有時能夠容忍故障狀況的系統(tǒng)，盡可能延長正常工作時間（如果使用電池供電），同時，還要確保只要提供有效電源，該系統(tǒng)就能可 靠、正常地運行。
患者護理方式發(fā)生變化是推動便攜式和無線醫(yī)療設備不斷發(fā)展的另一個因素。具體來說，可以歸結為居家治療的患者越來越多地使用遠程監(jiān)測系統(tǒng)。導致這種趨勢的主要原因是經濟考 量：對于患者和醫(yī)療機構而言，住院治療的費用高昴，令人望而卻步。這些都促進便攜式電子監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展，這種系統(tǒng)內置射頻(RF)發(fā)射器，可以將采集的病患數據直接發(fā)送給醫(yī)院或醫(yī) 生辦公室內的監(jiān)控系統(tǒng)，供日后查看和分析。
由此可以推斷，為患者提供適用的醫(yī)療設備，以便居家治療使用，其成本遠低于患者住院觀察治療的成本。但是，因為這些設備不是在專業(yè)人員的監(jiān)督下使用，所以確?；颊呤褂玫脑O備 安全可靠至關重要。這些產品的制造商和設計人員必須確保設備可以通過多個電源無縫運行，并且能夠高度可靠地無線傳輸采集到的患者數據。因此，需要電源管理和轉換架構可靠、靈 活、緊湊、高效，在寬帶寬范圍內保持低噪聲。
功率轉換架構
雖然開關穩(wěn)壓器產生的噪聲高于線性穩(wěn)壓器，但前者的效率要高得多。事實證明，如果開關穩(wěn)壓器的行為可預測，那么許多噪聲敏感應用中的噪聲和EMI水平也可以管控。如果開關穩(wěn)壓器 在正常模式下以恒定頻率開關，并且開關邊沿干凈、可預測且沒有過沖或高頻振鈴，那么EMI將極小。小封裝尺寸和高工作頻率可以提供小而緊湊的布局，從而最大限度地降低EMI輻射。而且，如果穩(wěn)壓器與低ESR陶瓷型電容一起使用，就可以盡量減少輸入和輸出電壓紋波。但是，并不是所有的系統(tǒng)架構師都具備全面的開關模式功率轉換相關背景知識，可以解決這些噪聲干擾問題。
其中許多系統(tǒng)需要使用多個低壓供電軌來為低功耗傳感器、存儲器、微控制器內核、I/O和邏輯電路供電；此外，由于系統(tǒng)內空氣流動或散熱不足，冷卻效果不佳，這些散熱設計限制讓系統(tǒng)變得更加復雜。
ADI Power產品團隊與功率專家齊心協力，利用行業(yè)領先的產品開發(fā)電源解決方案。例如，在醫(yī)療電子系統(tǒng)中，許多應用要求即使主電源中斷也要確保連續(xù)供電，因此需要可靠的備用電源。這些系統(tǒng)的備用電源運行時間依賴于主電源中斷之后，正常關閉該系統(tǒng)所需的時間。這段時間可能是幾分鐘，也可能是幾小時，具體取決于最終應用。
解決設計限制的全新解決方案
對于需要高功率、短時備用電源的系統(tǒng)，超級電容是非常不錯的選擇。任何支持此類應用的IC通常都需要能夠在主電源中斷期間支持2.9 V至5.5 V電源軌。超級電容具備高峰值功率，非常適合短時間內需要高峰值功率備用電源的系統(tǒng)應用。
舉例來說，LTC4041使用片內雙向同步轉換器來提供高效率的降壓超級電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當外部電源可用時，該器件用作一個或兩個超級電容單元的降壓充電器，同時賦予系統(tǒng)負載以優(yōu)先權。當輸入電源降至可調電源故障指示(PFI)閾值以下時，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級電容向系統(tǒng)負載提供最高2.5 A的電流。在電源故障期間，該器件的PowerPath™控制功能提供反向阻斷以及從輸入電源到備用電源的無縫切換。LTC4041的典型應用包括在醫(yī)療設備、電表、工業(yè)警報和固態(tài)驅動器中常見的斷電應急電源。圖1顯示了一個典型LTC4041應用原理圖。
圖2. 適用于3.3 V系統(tǒng)的LTC4041單個超級電容備用電源。
如果使用兩個超級電容，那么內部超級電容平衡電路將在每個超級電容上保持相同的電壓，并將每個超級電容的最大電壓限制為預定值。其可調輸入限流功能支持采用限流電源供電，同 時系統(tǒng)負載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開開關在備用電源供電期間將主輸入電源與系統(tǒng)隔離開來。該器件還具有輸入電流監(jiān)控功能、輸入電源失效指示器和系統(tǒng)電源失效指示器。LTC4041還提供可選的OVP功能，使用外部MOSFET，可以保護IC不受60 V以上輸入電壓的影響。
對于散熱和空間受限的醫(yī)療系統(tǒng)電源設計人員來說，采用緊湊且高效的5 V降壓轉換器非常重要，該轉換器的高轉換效率可以盡可能減少熱限制，實現極小尺寸解決方案。
LTC3309A專門針對空間限制和散熱限制而設計。LTC3309A是一款非常小巧的低噪聲單芯片降壓型DC-DC轉換器，能夠通過2.25V至5.5V輸入電源，提供最高6 A輸出電流。該器件采用 Silent Switcher®架構，配有外部熱回路旁置電容，可以在最高3 MHz 開關頻率下實現低EMI和高效率。
此外，LTC3309A是一款恒頻電流模式降壓型DC-DC轉換器。振蕩器會在每個時鐘周期開始時打開內部電源頂部開關。電感電流不斷增加，直到頂部電流開關比較器斷路，并關閉頂部電源開關。頂部開關關閉時的峰值電感電流由ITH節(jié)點的電壓決定。誤差放大器比較FB引腳上的電壓和內部500 mV基準電壓，據此管控ITH節(jié)點。負載電流增加時，與基準電壓相關的反饋電壓會降低，導致誤差放大器的ITH電壓增高，直到電感的平均電流與新負載電流匹配。當頂部電源開關關閉時，同步電源開關開啟，直到開始下一個時鐘周期，或者，在脈沖跳躍模式中，直到電感電流降低至零。如果過載狀況導致過量電流流過底部開關，則下一時鐘周期會延遲，直至開關電流恢復到安全水平。如果 EN引腳為低電平，LTC3309A將關斷，進入低靜態(tài)電流狀態(tài)。當EN 引腳高于其閾值時，就會使能開關穩(wěn)壓器。
圖3. LTC3309A應用原理圖：由2.25 V至5 V輸入電壓在1.2 V下提供6 A
由于LTC3309A采用恒頻、峰值電流模式控制架構，所以能在最低輸出電容下提供快速瞬態(tài)響應。500 mV參考電壓可以實現低電壓輸出，同時100%占空比運行可以實現低壓降。其他特性包括指示輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)的電源良好信號、精準使能閾值、輸出過壓保護、熱關斷、溫度監(jiān)視器、時鐘同步、模式選擇和輸出短路保護。該器件采用緊湊的12引腳2 mm × 2 mm LQFN封裝。
結論
毫無疑問，系統(tǒng)設計人員在設計供居家治療的患者實施健康監(jiān)測的便攜式和無線醫(yī)療監(jiān)測設備時，面臨嚴峻的設計挑戰(zhàn)。有許多限制因素必須解決，其中有些因素可能相互沖突。例如，需要散熱但空間受限的外殼，以及要能夠在不干擾或中斷的情況下傳輸數據。幸運的是，ADI推出的LTC3309A和LTC4041讓設計人員獲得了可行的解決方案，可以滿足人們對小巧、緊湊、高效散熱的解決方案的需求，并且適用于便攜式設備。
LTC3309A
●高效率：8mΩ NMOS、31mΩ PMOS
●可編程頻率至3MHz
●小型電感和電容
●峰值電流模式控制
●22ns最短導通時間
●寬帶寬、快速瞬態(tài)響應
●Silent Switcher™架構
●超低EMI輻射
●低紋波突發(fā)工作模式(Burst Mode®)，IQ為40µA
●過載時安全地承受電感飽和
●VIN范圍：2.25V至5.5V
●VOUT范圍：0.5V至VIN
●VOUT精度：超出溫度范圍±1%
●精密400mV使能閾值
●關斷電流：1µA
●電源正常、內部補償和軟啟動
●散熱增強型2mm × 2mm LQFN封裝
●通過AEC-Q100汽車應用認證
(來源：亞德諾半導體）
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