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

時(shí)間：2023-03-22 17:09:43

關(guān)鍵字：電源子系統(tǒng) 光電容積脈搏波生物傳感器

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[導(dǎo)讀]這篇文章分兩部分，介紹經(jīng)過驗(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。第一部分說明提供出色性能的分立解決方案，第二部分說明針對(duì)空間受限應(yīng)用的集成解決方案。

摘要

這篇文章分兩部分，介紹經(jīng)過驗(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。第一部分說明提供出色性能的分立解決方案，第二部分說明針對(duì)空間受限應(yīng)用的集成解決方案。

您將會(huì)學(xué)到什么知識(shí)：

?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(jì)（第二部分）的開關(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)施問題。

本文分兩部分，介紹經(jīng)過預(yù)先驗(yàn)證的針對(duì)光電容積脈搏波(PPG)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。PPG器件可用來測(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(jì)人員可以使用這些電源來創(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)化和加快開發(fā)流程，ADI公司提供經(jīng)過預(yù)先驗(yàn)證（即設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試）的電源子系統(tǒng)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

注釋：

二次電池(LiPo)

一次電池（鋰紐扣電池）

設(shè)計(jì)配置

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

L1和C1是特別選擇的無源元件，對(duì)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(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。

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(jì)人員提供幫助。本指南解決實(shí)現(xiàn)此類開關(guān)模式電源時(shí)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(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)將引線穿過輸入電容CIN。

使用下表診斷和解決相關(guān)問題：

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：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(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題。

使用下表診斷和解決相關(guān)問題：

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)將引線穿過輸出電容COUT。

使用下表診斷和解決相關(guān)問題：

第3B步 – 檢查輸出交流電壓：使用示波器或DSO，通過探測(cè)MAX38640A器件上的OUT引腳來測(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：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(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)問題：

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。

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(jì)人員提供幫助。本指南解決實(shí)現(xiàn)此類開關(guān)模式電源時(shí)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(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)將引線穿過輸入電容CIN。

使用下表診斷和解決相關(guān)問題：

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：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(hào)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：

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)將引線穿過輸出電容COUT。

使用下表診斷和解決相關(guān)問題：