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)——第二部分

時(shí)間：2023-03-24 16:56:40

關(guān)鍵字：光電容積脈搏波電源子系統(tǒng) 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。第一部分說明了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)。第二部分將說明用于空間受限應(yīng)用的集成解決方案，其使用MAX86141光學(xué)脈搏血氧儀和心率傳感器AFE（也可配合MAX86171使用）。

如本文第一部分所述，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。我們?cè)诘谝徊糠种刑峁┝朔至⒎桨福F(xiàn)在我們將提供集成解決方案。

重申一下，下面詳細(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

集成設(shè)計(jì)描述

這種DC-DC電源管理集成電路(PMIC)設(shè)計(jì)可用來調(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IC具有單電感多輸出(SIMO)降壓-升壓調(diào)節(jié)器，通過單個(gè)電感提供電源軌，以最大限度地減小總體解決方案尺寸，同時(shí)保持高效率。

此電路提供適當(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)由可充電鋰聚合物電池供電的生物傳感器信噪比(SNR)性能。圖2顯示了使用集成電源器件的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PMIC的1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路

以下電路基于MAX77642 PMIC，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/1.8V/5.0V SMPS電路驗(yàn)證檢查清單

圖4顯示了用于遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測(cè)的集成MAX77642 PMIC。

集成1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路驗(yàn)證檢查清單

下表可用作檢查清單來驗(yàn)證1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路的操作，該電路使用MAX77642器件并連接到一個(gè)生物傳感電路負(fù)載。

1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路故障排除指南

如果1.8V/1.8V/5.0V 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)此類集成開關(guān)模式電源時(shí)可能遇到的最常見問題。

MAX77642 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MAX77642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)MAX77642器件上的LXA引腳。如果輸入引腳不易接近，請(qǐng)將探頭放在(LXA)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)為一系列脈沖波，上升沿和下降沿的振鈴最小，如圖6所示。

脈沖波形展示了共享單個(gè)電感的三個(gè)開關(guān)模式電源（也稱為SIMO電源）的時(shí)分復(fù)用。

與理想脈沖波系列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MAX77642器件三個(gè)輸出端的電壓。務(wù)必將負(fù)極“黑色”引線接地，正極“紅色”引線連接到器件的相關(guān)SSBx通道輸出“OUT”引腳。如果輸出引腳不易接近，請(qǐng)將引線穿過相關(guān)輸出電容COUT。

使用下表診斷和解決相關(guān)SSB0 (1.8VDC)輸出問題：

使用下表診斷和解決相關(guān)SSB1 (1.8VDC)輸出問題：

使用下表診斷和解決相關(guān)SSB2 (5.0VDC)輸出問題：

第3B步 – 檢查輸出交流電壓：使用示波器或DSO，通過探測(cè)MAX77642器件的三個(gè)輸出來測(cè)量輸出紋波(AC)。建議使用差分技術(shù)正確測(cè)量輸出并避免射頻拾取。

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，SSB0波形應(yīng)該是1.8VDC（數(shù)字）輸出，上面疊加一個(gè)小紋波波形。圖7顯示了波紋波形。

使用下表診斷和解決相關(guān)問題：

如果電路工作正常，SSB1波形應(yīng)該是1.8VDC（模擬）輸出，上面疊加一個(gè)小紋波波形。圖8顯示了波紋波形。

使用下表診斷和解決相關(guān)問題：

如果電路工作正常，SSB2波形應(yīng)該是5.0VDC（用于LED）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：

結(jié)語

本文介紹了經(jīng)過預(yù)先驗(yàn)證的電源電路，包括分立式和集成式，適用于基于MAX86171和基于MAX86141的PPG遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)護(hù)儀。集成式和分立式開關(guān)模式電源電路設(shè)計(jì)均支持PPG性能，但集成解決方案尺寸更小，元件數(shù)量更少，建議用于尺寸受限的應(yīng)用。

欲了解分立和集成電源實(shí)現(xiàn)方案的相應(yīng)驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)，請(qǐng)?jiān)L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)”。

圖片說明：

圖1.典型PPG遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)護(hù)儀的框圖

圖2.使用分立電源器件的PPG子系統(tǒng)的框圖

圖3.1.8VDC MAX38640A SMPS電路，用于遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用

圖4.1.8VDC MAX38640A SMPS電路設(shè)計(jì)的驗(yàn)證檢查清單

圖5.MAX38640A SMPS電路的故障排除工具

圖6.輕負(fù)載下典型MAX38640A VLX波形的示波器屏幕截圖

圖7.MAX38640A的開關(guān)波形的示波器屏幕截圖

圖8.MAX38640A占空比與輸出電壓的關(guān)系圖

圖9.MAX38640A輸出波紋波形的示波器屏幕截圖

圖10.用于遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用的5.0VDC MAX20343H SMPS電路的框圖

圖11.MAX20343H電路的故障排除工具