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杜绝掉链子,体征监测可穿戴设备“不断电”背后的秘密

全球医疗健康产业正在不断跨界融合人工智能、物联网、大数据、5G技术等高科技,使医疗服务大步走向真正意义的智能,其中行走在医疗健康领域的可穿戴设备也是发展热点之一。根据透明市场研究公司(TMR)的报告显示,到2026年,全球可穿戴医疗设备市场份额预计将超过290亿美元,未来几年的复合年增长率将有望超过17%。


将医疗健康领域作为公司的五大核心目标市场之一的ADI,公司就见证了该市场的快速成长,过去几年中生命体征监测成为所有地区增长最快的细分市场之一,该公司的重点应用包括医疗影像、生命体征监测、体外诊断及生命科学仪器等主要细分市场。10年前,生命体征监测主要应用于医院以及救护车和直升机等专业救助设备,最大的市场是床边监视器和重症监护病房的监视器;现在,具有生命体征监测功能的可穿戴设备使医生能够远程监控病人,实现以较少的专业人员监控更多的人群。


电源设计,杜绝掉链子

可穿戴医疗健康市场对元器件的主要需求是超低功耗、高集成度和小尺寸等,ADI公司服务医疗市场几十年,深刻的认识到低功耗精密元器件是便携式无线医疗设备得以迅速发展的关键。这些医疗级产品通常在可靠性、运行时间和鲁棒性方面有很高的标准,但其中大部分负担都落在电源管理系统及其组件上。医疗监测产品通常需要能在各种电源之间无缝切换,如电池、市电、超级电容器,甚至采集的环境能量。
 
对于医疗可穿戴设备的电力系统架构师而言,设计的系统必须受到保护,有时必须能够容忍故障条件,以便在电池供电的情况下最大限度地延长运行时间,同时还必须确保只要存在有效的电源,系统的正常运行都是可靠的。ADI的LTC4041就是一款这样的电源解决方案,面向2.9V至5.5V电源轨的完整超级电容器后备电源管理系统,这类电源轨在主电源出现故障时必须保持有效。超级电容器的功率密度高于电池,从而使其非常适合在短时间段内需要高峰值备份功率的系统。

 


新型备用管理器电源解决方案

众所周知,超级电容、电池和/或二者的组合可以用作几乎所有电子系统的备用电源,那么有哪些解决方案可用呢?
 
首先,任何高可用系统解决方案都会需要一个完整的电池备用电源管理系统,其必须能够在主电源发生故障时让3.5V至5V电源轨保持供电。电池提供的能量比超级电容要多很多,因此需要备用电源长时间供电的应用使用电池更合适。相应地,任何高可用系统解决方案都需要片内双向同步转换器,以便对备用电池高效率充电;如果主电源轨发生中断,它还能向下游负载提供高电流备用电源。因此,当外部电源可用时,该器件将用作单节锂离子或LiFePO4电池的降压电池充电器,同时赋予系统负载以优先权。然而,如果输入电源突然降至可调电源失效输入(PFI)阈值以下,该IC将需要充当升压调节器,以从备用电池向系统输出提供几安培的电流。因此,如果发生电源故障,该IC将需要执行电源路径控制,以提供反向阻断并在输入电源和备用电源之间无缝切换。
 
与电池类似的是超级电容。但是,超级电容不支持主电源长时掉电的场合,但它是需要高功率、短时间备用电源的系统的出色选择。因此,任何支持此类应用的IC通常都需要能够在主电源中断期间支持2.9V至5.5V电源轨。众所周知,超级电容的功率密度高于电池,这使其成为短时间内需要高峰值功率备用电源的系统的理想选择。
 
上文提到的LTC4041就使用了片内双向同步转换器,提供高效率的降压超级电容充电,以及高电流、高效率的升压备用电源。当外部电源可用时,该器件用作一个或两个超级电容单元的降压电池充电器,同时赋予系统负载以优先权。当输入电源降至可调PFI阈值以下时,LTC4041切换到升压工作模式,可以从超级电容向系统负载提供最高2.5A的电流。在电源故障期间,该器件的PowerPath™控制功能提供反向阻断以及从输入电源到备用电源的无缝切换。LTC4041的典型应用包括医疗设备、功率计、工业报警器、服务器和固态驱动器等应用中的紧急备用电源。图1显示了一个典型LTC4041应用原理图。
 

 

两个堆叠串联超级电容器的 LTC4041 超级电容器备份电源管理器


LTC4041有一个可选的OVP功能,使用外部FET来保护IC免受高于60V的输入电压的影响。内部超级电容平衡电路使每个超级电容上的电压保持相等,并将每个超级电容的最大电压限制在预定值。其可调输入限流功能支持采用限流电源供电,同时系统负载电流优先于电池充电电流。外部断开开关在备用电源供电期间将主输入电源与系统隔离开来。该器件还具有输入电流监控功能、输入电源失效指示器和系统电源失效指示器。
 
另外,对于有热约束和空间约束的医疗系统的电源设计人员来说,拥有一个紧凑高效的5v buck变换器是非常重要的。LTC3309A 是一款非常小巧的高效率、低噪声、单片同步 6A 降压型 DC/DC 转换器,采用 2.25V 至 5.5V 的输入电源工作。该器件采用了Silent Switcher结构,最大限度降低了 EMI 发射。
 
LTC3309A 可工作在强制连续或脉冲跳跃模式 (以实现低噪声)或低纹波突发模式 (Burst Mode) (以在轻负载条件下实现高效率),非常适合电池供电型系统。该 IC 可调节低至 500mV 的输出电压。其他特点包括输出过压/短路保护、热停机、时钟同步和高达 100% 的工作占空比 (以实现低压差)。该器件采用外形扁平的 12 引脚 2mm × 2mm × 0.74mm LQFN 封装,此封装具有裸露焊盘以实现低热阻。
 
结论


虽然可穿戴设备的发展重点已经从健身转移到了医疗,但这也意味着系统设计人员面临着更苛刻的系统要求并因此具有更严峻的设计挑战,例如耐热和空间受限的外壳以及如何能够在不受干扰或中断的情况下传输数据等,这些挑战背后都或多或少的能找到从电源方面的解决方案。ADI的超低噪声稳压器LTC3309A和备用管理器LTC4041可满足可穿戴式设备小型、紧凑、热效率高和鲁棒的解决方案的需求。
 
在智能可穿戴体征信号检测市场相关产品组成方面,ADI有着完整的产品线组合,包括从电源到体温、阻抗、光学等传感器、模拟信号转数字信号的高集成模拟前端或分立信号链产品,特别是ADI成功收购电源技术领先提供商凌力尔特公司后,更整合了后者独具优势的电源技术,从而提供更具竞争优势的万恒解决方案。可穿戴体征信号监测设备是一个复杂的系统性设计产品,这种整合的完整解决方案有助于从电源、信号链到系统的完美设计。

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