不同的醫療保健應用對電源管理解決方案的要求也不盡相同。就電源管理而言，醫療保健是一個十分有意思的市場。雖然醫療保健產品的設計周期非常長，但高水平的創新正在不斷滿足新型醫療保健電子產品需求。這些創新產品不僅代替了舊有設備，還占領了新的市場和應用，這些應用領域在幾年前尚不存在。本文將討論四個不同的醫療保健應用領域。它們是家庭醫療保健、儀器儀表、病人監護和成像應用。本文將針對每個領域分別討論電源管理解決方案。

家庭醫療保健

在家庭醫療保健方面有大量的設計實踐。全球老齡化、不斷壯大的經濟力量以及創新為家庭醫療保健領域帶來了許多全新應用。對病人而言，好處是更高的靈活性、更好的服務以及有望減少就醫次數。雖然家庭醫療保健市場早已存在，但最近才涌現出越來越先進的面向消費者的解決方案。這類解決方案的示例有：運動監護儀、血壓監護儀以及心率監護儀。另外，便攜式血液分析儀和脈搏血氧儀系統也進入當今家庭醫療保健領域。

從電源管理角度出發，由于便攜性是必需的，所有這些系統都需要高集成度。真正便攜的產品采用電池供電，因此要求系統具有高電源效率。在這類應用中，較低的功耗可延長器件的工作時間，而無需充電或更換電池。最后，成本也是很重要的規格指標。雖然在其他一些醫療保健應用中，電源管理解決方案的成本可能不是最重要的規格，但對家庭醫療保健它很重要。成本約束逐漸成為消費電子市場的特點。

圖1顯示采用鋰離子電池的充電系統的電源鏈。該電源架構可確保電路的某些部分可以通過負載開關關閉(如ADP190)，而為實時時鐘(RTC)供電的其他電路(如ADP160)始終開啟。開啟時，ADP190具有低于2A的接地電流，而ADP160在空載時僅消耗大約560nA的電源電流。這樣可將電池的永久放電保持在最低水平。

圖1.便攜式電池供電型家庭醫療保健器件的典型電源鏈

ADP2140是一款高度集成的降壓開關穩壓器，配合線性穩壓器使用。該電源管理單元可節省空間和成本。

對鋰離子電池充電時，可采用高級電池充電解決方案，如ADP5065。該器件是一款極為高效的開關模式充電器，由于具有許多錯誤檢測和安全功能，因此特別適合醫療應用。該解決方案完全符合USB2.0、USB3.0和USB電池充電規格1.1，可通過mini-USBVBUS引腳從墻壁充電器、車載充電器或USB主機端口進行充電。

某些僅供短期使用的低成本便攜式醫療保健系統可能會圍繞不可充電的堿性電池而設計。相比常見的雙電池供電，使用單電池單元在重量和成本方面更有優勢。單堿性電池系統面臨的難題是電池電壓范圍僅為0.8V至1.5V。為了對電子設備供電，需要能以高能效轉換此類低輸入電壓的升壓穩壓器。圖2顯示采用ADP1607作為首個電源轉換步驟的應用。該電路能產生3.3V電壓，滿足大部分系統要求。

圖2.采用單單元堿性電池為便攜式醫療保健系統供電

儀器儀表

儀器儀表方面的示例應用有：血液分析儀、透析儀和臨床診斷設備。

儀器儀表設備通常為非便攜式設備。這類應用的電源管理要求不像家庭醫療保健部分那樣受諸多因素限制。儀器儀表領域通常有充足的電能，因此不用擔心電源效率。雖然高集成度無疑對系統有幫助，但這并非首要考慮因素。儀器儀表應用通常重視低噪聲性能。開關穩壓器和線性穩壓器必須具有極低的噪聲，才能進行極高精度的測量。

通常采用銀匣型AC-DC電源產生一個或多個中間電壓。隨后，這些電軌用于產生更低的電壓。圖

圖3顯示的是一個微型PMU(電源管理單元)。這款ADP5050采用來自AC-DC電源的12V電軌供電。該PMU集成四個開關穩壓器以及一個線性穩壓器。雖然體積緊湊，但它集成了很多理想功能。單個降壓穩壓器的開關頻率進行同步和相移，以便最大程度地降低輸入線路上的噪聲，并使用小輸入電容。一個獨特的特性是兩個開關穩壓器能以另外兩個穩壓器開關頻率的一半運行。這樣可以保持一個可預測的低EMI曲線，同時允許低功率電軌以較高的開關頻率工作，并在高功率電軌上使用較低的開關頻率以獲得最高效率。

圖3.提供多電壓和I2C連接性的微型電源管理單元

最后，提供I2C接口，以動態地改變輸出電壓、檢查芯片溫度、設置不同通道的相移、輸出電源良好指示，并使能單個通道。這些功能有助于智能儀器儀表系統監視和控制電源管理。

病人監護

此類系統都是臨床應用。可以用于測量血壓，也可用在心電圖(ECG)和脈搏血氧儀系統中。電源管理通常采用線路供電，因此只要處理好散熱，能效就不大重要。真正重要的是可靠性、出于安全目的的電流隔離以及低噪聲。為了增加可靠性，有時需提供備用電池。當病人轉移到不同的醫院站點時，備用電池有助于提供不間斷的生命體征監護。

隔離需要符合最嚴格的醫療安全標準，即IEC60601-1。采用iCouplers技術的數字隔離器正在代替光耦合器，而隔離完整性完全不受影響。這一趨勢的優勢是避免光耦合器的老化效應以獲得長期可靠性，同時在一個封裝中集成不同的半導體功能，如USB、I2C和電源管理開關穩壓器。這些器件可以增強絕緣，并可承受IEC60747-5-5標準規定的10kV浪涌。iCoupler產品采用芯片級變壓器，與光耦合器和基于電容的數字隔離器相比具有非常魯棒的共模瞬變抗擾度。圖4顯示感性隔離概念。圖中有兩個電感，中間為隔離柵，由聚酰亞胺、二氧化硅(SiO2)或類似的隔離材料組成。

圖4.跨越隔離柵的感性數字耦合概念

圖5顯示集成iCoupler功能的典型isoPower器件。isoPower不僅能通過隔離柵耦合信號，還能進行電源耦合。ADuM540x可提供最高達500mW的總功率。除了電源耦合外，芯片還能集成最多四個數據耦合通道。圖6顯示微芯片封裝內的系統照片。

圖5.用iCoupler實現電流絕緣的isoPower照片

圖6.用iCoupler設置isoPower數字隔離器

成像

成像應用歷史久遠。這一領域所取得的進步令人嘆為觀止。產品團隊包括超聲、CT(計算機斷層)、數字X射線、MRI(磁共振成像)和PET(正電子發射斷層掃描)。

電源管理方面有兩個趨勢。諸如MRI和PET等大型系統極為耗電，需要很多分布式電源。這些電源要求特定水平的效率以便散熱。

在成像應用中，任何類型的系統噪聲(包括開關噪聲甚至LDO輸出電壓噪聲)都有可能出現在最終圖像中。可能表現為圖像中常見的誤差線，有時也表現為對比度、色彩或灰度等級質量的下降。

電源可能會影響圖像檢測或圖像顯示電路。若在成像系統中兩者都受影響，則最終圖像質量將變得無法接受。有些醫療成像設備制造商曾使用電源管理模塊，但最終放棄了。雖然主要規格有保證，但實際的EMI性能卻無法得到保證。對電源模塊的生產過程作出最輕微的改變都可能造成圖像質量方面的問題。為獲得更高水平的控制，完全由醫療保健成像設計公司開發分立式電源設計并進行生產可能是更好的做法。

結論

在醫療保健應用中，不同應用領域對電源管理的要求大相徑庭。我們討論了各個領域中特定解決方案的要求。在家庭醫療保健領域，很多解決方案基于ASSP(專用標準產品)，或者基于ASIC(專用集成電路)。少量應用可采用現成電源管理單元標準。在儀器儀表、病人監護和成像應用領域，電源管理解決方案將進一步優化，以配合超高精度信號路徑元件。