針對醫(yī)療設備的 DC/DC 轉換器解決方案

凌力爾特從開始就一直服務于醫(yī)療市場。我們最近看到，低功率精確組件已經(jīng)使便攜式和無線醫(yī)療儀器出現(xiàn)了快速增長。不過，與其他很多應用不同，這些醫(yī)療產品通常對可靠性、運行時間和堅固性有高得多的要求。這種負擔大部分落到了電源系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療產品必須在使用各種電源時正確運行，并能夠在這些電源之間無縫切換，例如 AC 電源插座、備份電池甚至收集的環(huán)境能源。此外，必須花費大量時間研究怎樣針對故障提供保護和容錯，怎樣在電池供電時最大限度延長電池運行時間，以及確保無論有效電源是否存在，系統(tǒng)都能正常運行。

目前，促進便攜式和無線醫(yī)療儀器增長的主要趨勢之一是患者護理。尤其是，位于患者家中的遠程監(jiān)視系統(tǒng)的使用日漸增多。出現(xiàn)這種趨勢的原因從本質上說純粹是經(jīng)濟性的，讓患者住在醫(yī)院的成本簡直令人望而卻步。因此，這類便攜式電子監(jiān)視系統(tǒng)很多都必須納入 RF 發(fā)送器，以便所收集的任何患者數(shù)據(jù)都能夠直接發(fā)送到位于醫(yī)院中的監(jiān)察系統(tǒng)，方便主管醫(yī)生查閱和分析。

考慮到以上情況，可以合理假定，向患者提供合適的醫(yī)療儀器供他們在家里使用，比讓患者住院觀察成本更低。然而，非常重要的一點是，患者使用的設備必須可靠、萬無一失。因此，這類產品的制造商和設計師都必須確保這些產品可以無縫地用多種電源運行，并非?？煽康責o線傳送所收集的患者數(shù)據(jù)。這就要求設計師確保電源管理架構可靠、靈活、緊湊和高效率。

幸運的是，凌力爾特公司憑借自己的產品創(chuàng)新和技術專長，針對這些問題提供了解決方案。既然醫(yī)療電子系統(tǒng)中有很多應用需要連續(xù)供電，甚至在交流供電系統(tǒng)中斷時，那么一個關鍵要求就是低靜態(tài)電流，以延長電池壽命。相應地，凌力爾特自2000年以來，一直生產備用靜態(tài)電流低于 100mA 的開關穩(wěn)壓器。實際上，我們最近推出的一些產品，其靜態(tài)電流已經(jīng)低至 2.5mA 了。因此，這些產品已經(jīng)為進入采用備份電池的醫(yī)療電子系統(tǒng)做好了準備。

盡管開關穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器產生更大的噪聲，但是其效率出色得多。在很多敏感應用中已經(jīng)證明，只要開關行為可預測，那么噪聲和 EMI 的大小就都是可控的。如果開關穩(wěn)壓器在正常工作模式以恒定頻率切換，且開關邊沿是干凈和可預測的，沒有過沖或高頻振鈴，那么 EMI 就可以最小化。小型封裝和高工作頻率可以提供占板面積很小的緊湊布局，這最大限度減小了 EMI 輻射。此外，如果穩(wěn)壓器可以使用低 ESR 陶瓷電容器，那么輸入和輸出電壓紋波都可以最小化，這兩種紋波都是系統(tǒng)中額外的噪聲源。

在如今功能豐富的醫(yī)療設備中，電源軌的數(shù)量已經(jīng)增多了，但是工作電壓卻在持續(xù)降低。然而，很多這類系統(tǒng)仍然需要 3V、3.3V 或 3.6V 軌，以給低功率傳感器、存儲器、微控制器內核、I/O 和邏輯電路供電。此外，因為醫(yī)療系統(tǒng)的正常運行有時是至關重要的，因此很多系統(tǒng)都采用了備份電池，以防給系統(tǒng)供電的交流電源發(fā)生故障。

過去，這類系統(tǒng)的電壓軌是由降壓型開關穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器供電的。不過，因為這類 IC 不能利用電池的全部工作范圍，所以縮短了設備電池的可能運行時間。因此，當使用降壓-升壓型轉換器時 (可以提高或降低電壓)，將允許利用電池的全部工作范圍。這增大了運行裕度，并延長了電池運行時間，因為利用了更多電池可用電量，尤其是在靠近放電曲線的較低端時。

顯然，滿足主電池系統(tǒng)應用需求并解決上述有關問題的 DC/DC 轉換器解決方案應該具備以下特點：

1)降壓-升壓型 DC/DC 架構，具備很寬的輸入電壓范圍，可通過各種電池電源、在相關電壓范圍內調節(jié) Vout。

2)運行模式和停機模式都具備超低靜態(tài)電流，以延長電池運行時間。

3)能夠以高效率給系統(tǒng)軌供電。

4)能夠在不對 IC 靜態(tài)電流造成顯著影響的情況下，準確進行庫倫計數(shù)，以確定電池的充電狀態(tài)。

5)限制電流以衰減浪涌電流，保護電池。

6)小型、很輕和扁平的解決方案。

7)先進封裝提高熱性能和空間利用率。

凌力爾特最近推出的產品 LTC3335 就具備了上述所有特性，這是一款集成了庫倫計數(shù)器的毫微功率降壓-升壓型轉換器。該器件為主電池應用而設計，這類應用需要真正的低靜態(tài)電流，還需要知道有關剩余電池電量的信息。或者說，需要知道庫倫計數(shù)器檢測到的潛在電池組件或負載泄漏達到什么程度，才可以確認系統(tǒng)出現(xiàn)故障。參見圖 1。

圖 1：集成了庫倫計數(shù)器的降壓-升壓型轉換器LTC3335

LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉換器，內置了精確的庫倫計數(shù)器，提供高達 50mA 的連續(xù)輸出電流。該器件具備僅為 680nA 的靜態(tài)電流和從低至 5mA 到高達 250mA 的可編程峰值輸入電流，非常適合多種低功率電池應用，例如使用備份電池的便攜式健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中那類電池應用。其 1.8V 至 5.5V 輸入范圍和 8 個 1.8V 至 5V 的用戶可選輸出提供了一個穩(wěn)定的輸出電源，輸入電壓可以高于、低于或等于輸出。此外，該器件集成了精確的 (電池放電測量準確度為 ±5%) 庫倫計數(shù)器，在長壽命不可再充電電池供電應用中，可準確監(jiān)視累計電池放電量，這類電池供電應用很多都有極度平坦的電池放電曲線。LTC3335 包括 4 個內部低 RDSON MOSFET，可提供高達 90% 的效率。其他特點包括可編程放電報警門限、用于庫倫計數(shù)和器件設定的 I2C 接口、一個電源良好輸出以及 8 個從 5mA 至高達 250mA 的可選峰值輸入電流，以適合多種類型和尺寸的電池。LTC3335 的工作結溫范圍為 -40°C 至 +125°C，采用耐熱增強型 20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝。