世界熱點(diǎn)！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

作者：Felipe Neira和Marc Smith ?

摘要

(資料圖片)

這篇文章分兩部分，介紹經(jīng)過(guò)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(shuō)明提供出色性能的分立解決方案，第二部分說(shuō)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(wèn)題。

本文分兩部分，介紹經(jīng)過(guò)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(lái)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(shuō)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(shuō)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(guò)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?，現(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(lái)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(guò)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(wú)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(wàn)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(lái)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(wèn)題，以下電路故障排除說(shuō)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(wèn)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(wàn)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(guò)輸入電容CIN。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)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(wèn)題。

使用下表診斷和解決相關(guān)問(wèn)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(guò)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(wèn)題：

使用下表診斷和解決相關(guān)SSB1 (1.8VDC)輸出問(wèn)題：

使用下表診斷和解決相關(guān)SSB2 (5.0VDC)輸出問(wèn)題：

第3B步– 檢查輸出交流電壓：使用示波器或DSO，通過(guò)探測(cè)MAX77642器件的三個(gè)輸出來(lái)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題：

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了經(jīng)過(guò)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(wèn)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(shuō)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

圖12.10mA輕負(fù)載下典型MAX20343H HVLX波形的示波器屏幕截圖

圖13.125mA負(fù)載下典型MAX20343H HVLX波形的示波器屏幕截圖

圖14.246mA負(fù)載下典型MAX20343H HVLX波形的示波器屏幕截圖

圖15.MAX20343H (5V)輸出波紋波形的示波器屏幕截圖

參考文獻(xiàn)：

用于生命體征監(jiān)護(hù)儀的電源子系統(tǒng)

設(shè)計(jì)高精度、可穿戴的光學(xué)心率監(jiān)護(hù)儀

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Felipe Neira

應(yīng)用技術(shù)團(tuán)隊(duì)高級(jí)成員 - 培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)

Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司一部分）

www.maximintegrated.com

作者簡(jiǎn)介：Felipe Neira是Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司一部分）的應(yīng)用工程師。他喜歡鉆研便攜式和可穿戴解決方案，側(cè)重于健康傳感器的電池電源管理。此外，他為ADI公司的所有廣泛市場(chǎng)產(chǎn)品提供技術(shù)支持。Felipe畢業(yè)于加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)，畢業(yè)后不久即加入本公司。

Marc Smith

應(yīng)用技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要成員

Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司一部分）

www.maximintegrated.com

作者簡(jiǎn)介：Marc Smith是Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司一部分）的健康與醫(yī)療生物傳感應(yīng)用技術(shù)團(tuán)隊(duì)的成員。他是MEMS和傳感器技術(shù)領(lǐng)域的行業(yè)專家，在針對(duì)多個(gè)市場(chǎng)的傳感器產(chǎn)品和電子開發(fā)方面擁有超過(guò)30年的經(jīng)驗(yàn)。Marc擁有12項(xiàng)專利，并撰寫了十多份出版物。他獲得了加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)和加利福尼亞圣瑪麗學(xué)院的工商管理碩士學(xué)位(MBA)。

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