摘要

　　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(kāi)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(kāi)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(shuō)明用于空間受限應(yīng)用的集成解決方案。

　　開(kāi)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(lái)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(kāi)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。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)。

　　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(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 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(lái)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(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)此類開(kāi)關(guān)模式電源時(shí)可能遇到的最常見(jiàn)問(wèn)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(wàn)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(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)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(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(guò)輸出電容COUT。

　　使用下表診斷和解決相關(guān)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)MAX38640A器件上的OUT引腳來(lái)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(wèn)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(lái)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(wèn)題，以下電路故障排除說(shuō)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(kāi)關(guān)模式電源時(shí)可能遇到的最常見(jiàn)問(wèn)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(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(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(guò)輸出電容COUT。

　　使用下表診斷和解決相關(guān)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)MAX20343H器件上的OUT引腳來(lái)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15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)

　　本文分為兩部分，以上內(nèi)容是第一部分，介紹了配合基于MAX86171的PPG遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)護(hù)儀使用的預(yù)驗(yàn)證分立電源電路。這些電源電路也可以配合基于MAX86141的PPG器件使用。

　　本文第二部分介紹配合基于MAX86171和基于MAX86141的PPG遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)護(hù)儀使用的預(yù)驗(yàn)證集成電源電路。

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