電源管理對(duì)便攜式裝置有多重要

圖6. BGM優(yōu)化電源方案，帶有電纜檢測(cè)功能。

整體電池功能

電池密封保證長(zhǎng)時(shí)間供電

便攜式醫(yī)療設(shè)備必須保證可靠充電，隨時(shí)備用。所以，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在裝置的“保存期”內(nèi)保證有電。MAX14663集成關(guān)斷電池的開(kāi)關(guān)，保證其斷開(kāi)，直到最終用戶首次打開(kāi)醫(yī)療裝置。例如，生產(chǎn)階段結(jié)束時(shí)，可利用I²C命令或正確的SEAL引腳連接將電池?cái)嚅_(kāi)，從而防止設(shè)備保存期內(nèi)放電。

只需激活連接至KIN輸入的按鈕或者連接至USB主機(jī)，即可重新連接電池(圖7)。

圖7. MAX14663中的電池密封功能與隔離開(kāi)關(guān)配合，保存電池電量。

電量計(jì)準(zhǔn)確指示充電狀態(tài)

集成式電量計(jì)基于ModelGauge

技術(shù)，僅利用電壓信息提供電池的充電狀態(tài)(SOC);使用非常詳盡、非線性電池模型，可高精度監(jiān)測(cè)充電和電池行為。為正確操作，必須將Maxim在工廠進(jìn)行特征分析后提供的電池模型裝載至器件的內(nèi)部易失存儲(chǔ)器。

圖8所示為ModelGauge技術(shù)的性能。隨機(jī)時(shí)間長(zhǎng)度的隨機(jī)負(fù)載過(guò)程和充電過(guò)程顯示電池SOC上升和下降。綠線為參考SOC，紅線為ModelGauge指示的SOC。您可以看到綠線和紅線很難區(qū)分，實(shí)際上這兩條線幾乎完全相同。兩條曲線之間的差異用黑線表示，由右側(cè)的誤差軸Y讀數(shù)。

這些數(shù)據(jù)表明，ModelGauge電量計(jì)的誤差與加熱法相似，誤差在0%附近上下移動(dòng)，不同于庫(kù)倫計(jì)數(shù)器等累積方法。

圖8. 充電狀態(tài)(SOC)與時(shí)間的關(guān)系。數(shù)據(jù)表明，ModelGauge技術(shù)不隨時(shí)間累積誤差。

電量計(jì)工作電流為23µA;充電/放電率較低時(shí)，電量計(jì)自動(dòng)進(jìn)入4µA深度休眠模式。這種后臺(tái)模式不會(huì)犧牲電量計(jì)精度。通過(guò)允許系統(tǒng)完全關(guān)斷，甚至關(guān)斷一些振蕩器，利用報(bào)警降低系統(tǒng)功耗，以及達(dá)到這種4µA后臺(tái)模式。電量計(jì)采用報(bào)警喚醒所有電路。

電池充電器最大程度降低功率損耗

開(kāi)關(guān)模式電池充電器將功耗降至最低。充電期間，該功能可防止PCB熱點(diǎn)，否則在必須測(cè)量對(duì)溫度非常敏感的小信號(hào)時(shí)會(huì)影響精度。

根據(jù)工作模式調(diào)節(jié)電流：

· 預(yù)充模式。電池電壓低于預(yù)充門(mén)限電壓(可通過(guò)I²C在2.4V至3.1V范圍內(nèi)設(shè)置)時(shí)，將電流限制到小于0.1C。

· 快充模式。在CC/CV模式下，根據(jù)設(shè)置的快充電流調(diào)節(jié)電流，范圍為50mA至500mA，步長(zhǎng)為25mA。

· 自動(dòng)停止模式。如果設(shè)置了自動(dòng)模式，將在達(dá)到設(shè)定的恒壓(3.5V至4.4V)以及電流下降至設(shè)定值(12.5mA至150mA)時(shí)停止充電。也可以利用I²C命令停止充電。

充電器也通過(guò)電池?zé)崦綦娮璞O(jiān)測(cè)電池溫度。溫度信息可用于實(shí)施JEITA建議，為了安全起見(jiàn)而根據(jù)電池溫度更改終止電壓和快充電流(圖9)。

圖9. 按照J(rèn)EITA建議，根據(jù)電池溫度更改充電電流和終止電壓。

電源選擇器延長(zhǎng)電池壽命

當(dāng)VB在可接受范圍之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)電壓來(lái)自于USB;無(wú)VB時(shí)，系統(tǒng)電壓來(lái)自于電池。該操作是自動(dòng)完成的。

升壓調(diào)節(jié)器允許直接連接WLED燈串和OLED顯示屏

基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生OLED顯示屏或用于LCD背光照明的白光LED燈串所需的高電壓。輸出電壓可通過(guò)I²C在6V至17V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，步長(zhǎng)為1V。真關(guān)斷開(kāi)關(guān)將負(fù)載徹底斷開(kāi)，將耗流降至最小。

獨(dú)立調(diào)節(jié)LED燈串電流的流入電流源

三個(gè)獨(dú)立的線性電流調(diào)節(jié)器可直接連接至升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓。此時(shí)，電流可調(diào)節(jié)至高達(dá)32.5mA，分為25級(jí)。PWM信號(hào)可用于調(diào)光(圖10)。

圖10. 來(lái)自于流入電流源的電流可分25級(jí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

內(nèi)置ESD反向電壓和過(guò)壓保護(hù)確保系統(tǒng)安全

系統(tǒng)(圖11)具有反向電壓保護(hù)(RVP)，可預(yù)防VBUS上高達(dá)-5.5V的電壓，以及防止高達(dá)28V的過(guò)壓(OVP)。該保護(hù)功能可防止偽劣電池充電器試圖使用USB接口而損壞設(shè)備。系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)至5V;對(duì)于最高6.6V的VBUS電壓，可正常工作。如果VBUS電壓上升至這些門(mén)限以上，則自動(dòng)斷開(kāi)系統(tǒng)電壓，以保護(hù)設(shè)備。

圖11. 內(nèi)置ESD反向電壓和過(guò)壓保護(hù)。

參見(jiàn)圖11，VB、DP和DM引腳上具有±15kVESD保護(hù)(HBM)。USB側(cè)的另一項(xiàng)功能是電纜檢測(cè)。上行端口為OFF時(shí)，因而表示VBUS未出現(xiàn)或者電纜僅連接至設(shè)備側(cè)時(shí)，系統(tǒng)將檢測(cè)電纜插入。

當(dāng)未出現(xiàn)VBUS時(shí)，通過(guò)注入小電流，然后測(cè)量電纜電容和連接至上行端口的電容，實(shí)現(xiàn)電纜檢測(cè)?？赏ㄟ^(guò)I²C設(shè)置檢測(cè)門(mén)限，以適應(yīng)不同的PCB布局和連接器類(lèi)型。

總結(jié)

我們開(kāi)篇首先陳述了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人需要監(jiān)測(cè)其個(gè)人生命體征。顯而易見(jiàn)，人們需要有工具能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行檢查。所以人們尋求更便攜的醫(yī)療裝置的出現(xiàn)就毫不奇怪了：這種醫(yī)療裝置小巧、高精度、電源效率高。

我們?cè)诒疚闹兄攸c(diǎn)關(guān)注了用于現(xiàn)代化便攜式醫(yī)療裝置的高效電源管理系統(tǒng)。我們討論了兩款器件。我們首先介紹了低功耗、醫(yī)療微控制器片上系統(tǒng) (SoC，MAX32600)，該器件集成了執(zhí)行模擬功能的AFE和用于高級(jí)數(shù)據(jù)安全性的信賴保護(hù)單元。該器件適合于使用一次性電池(紐扣電池或堿性電池)作為電源的便攜式醫(yī)療裝置。我們也介紹了利用可充電電池供電的醫(yī)療裝置。該系統(tǒng)使用帶有微控制器SoC的PMIC(MAX14663)，將電源效率最大化，節(jié)省寶貴的設(shè)計(jì)空間，并增加電池管理和USB安全性等附加功能。

這些新集成電路將電源效率最大化，提高靈活性，有利于可擴(kuò)展方案，而無(wú)需大的架構(gòu)變化。例如，您可增加可選的無(wú)線外設(shè)，用于連接至智能手機(jī)。一旦實(shí)現(xiàn)以上功能，即可充分利用智能手機(jī)的日常優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更多的便攜式醫(yī)療應(yīng)用。

最后，我們討論了高度集成相對(duì)于使用眾多分立式元件的傳統(tǒng)電源方案的優(yōu)勢(shì)。除了空間和成本節(jié)省方面的明顯優(yōu)勢(shì)外，較少的分立式元件也意味著方案更可靠，既有利于制造商也有利于最終用戶——你和我。