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

摘要

這篇文章分兩部分，介紹經(jīng)過驗(yàn)證的針對遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測應(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，第二部分說明針對空間受限應(yīng)用的集成解決方案。

您將會學(xué)到什么知識：

• 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)證的針對光電容積脈搏波(PPG)遠(yuǎn)程病人生命體征監(jiān)測應(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)建和測試）的電源子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，以保障每個生物傳感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)測應(yīng)用中都會看到的標(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 – 檢查電感信號波形：使用示波器或數(shù)字存儲示波器(DSO)探測MAX38640A器件上的LX引腳。如果輸入引腳不易接近，請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，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MAX38640A器件上的OUT引腳來測量輸出紋波(AC)。為了正確測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 – 檢查電感信號波形：使用示波器或DSO探測MAX20343H器件上的HVLX引腳。如果輸入引腳不易接近，請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MAX20343H器件上的OUT引腳來測量輸出紋波(AC)。為了正確測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)問題：

結(jié)語

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