與許多其他應(yīng)用一樣，低功耗精密元件推動(dòng)了便攜式和無線醫(yī)療儀器的快速增長(zhǎng)。然而，與許多其他應(yīng)用不同，這種類型的醫(yī)療產(chǎn)品通常在可靠性、運(yùn)行時(shí)間和穩(wěn)健性方面具有更高的標(biāo)準(zhǔn)。這種負(fù)擔(dān)大部分落在電力系統(tǒng)及其組件上。醫(yī)療產(chǎn)品必須正常運(yùn)行并在各種電源之間無縫切換，例如交流電源插座、備用電池，甚至是收集的環(huán)境能源。此外，必須竭盡全力防止和容忍故障，最大限度地延長(zhǎng)電池供電時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，并確保在存在有效電源時(shí)正常系統(tǒng)運(yùn)行是可靠的。

當(dāng)前推動(dòng)便攜式和無線醫(yī)療儀器增長(zhǎng)的主要趨勢(shì)之一是患者護(hù)理。具體來說，這是在患者自己家中增加使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。這種趨勢(shì)的原因純粹是經(jīng)濟(jì)性質(zhì)的——將病人留在醫(yī)院的相關(guān)成本太高了。因此，這些便攜式電子監(jiān)控系統(tǒng)中的許多必須包含射頻發(fā)射器，以便從患者那里收集的任何數(shù)據(jù)都可以直接發(fā)送回醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)，以供主管醫(yī)師稍后審查和分析。

鑒于上述情況，可以合理地假設(shè)為患者提供適當(dāng)?shù)尼t(yī)療器械以供家庭使用的成本被將其留在醫(yī)院進(jìn)行觀察的成本所抵消。盡管如此，患者使用的設(shè)備必須可靠且萬(wàn)無一失，這一點(diǎn)至關(guān)重要。因此，這些產(chǎn)品的制造商和設(shè)計(jì)人員必須確保它們可以從多個(gè)電源無縫運(yùn)行，并在從患者收集的數(shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)傳輸中具有高可靠性。這要求設(shè)計(jì)人員確保電源管理架構(gòu)穩(wěn)健、靈活、緊湊且高效。

電源 IC 解決方案醫(yī)療電子系統(tǒng)中有許多應(yīng)用需要持續(xù)供電，即使在主電源中斷的情況下也是如此。一個(gè)關(guān)鍵要求是低靜態(tài)電流以延長(zhǎng)電池壽命。因此，功率 IC 制造商自 2010 年以來一直在生產(chǎn)待機(jī)靜態(tài)電流小于 30 μA 的開關(guān)穩(wěn)壓器。事實(shí)上，凌力爾特公司最近推出的一些產(chǎn)品已將這一數(shù)字降至僅 2.5 μA。因此，這些產(chǎn)品非常適合在電池備份醫(yī)療系統(tǒng)中采用。

盡管開關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生更多的噪聲，但它們的效率要高得多。噪聲和電磁干擾 (EMI) 水平已被證明在許多敏感應(yīng)用中是可控的，只要切換器的行為可預(yù)測(cè)。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式下以恒定頻率開關(guān)，并且開關(guān)邊沿干凈且可預(yù)測(cè)，沒有過沖或高頻振鈴，則 EMI 最小化。小封裝尺寸和高工作頻率可以提供緊湊的小布局，從而最大限度地減少 EMI 輻射。此外，如果穩(wěn)壓器可以與低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 陶瓷電容器一起使用，則可以最大限度地減少輸入和輸出電壓紋波，這是系統(tǒng)中的額外噪聲源。

隨著許多功能豐富的患者監(jiān)測(cè)醫(yī)療設(shè)備中電源軌數(shù)量的增加，工作電壓已經(jīng)降低。盡管如此，其中許多系統(tǒng)仍需要從 1.x V 到 8.x V 的寬電壓范圍來為電機(jī)、低功耗傳感器、存儲(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。

傳統(tǒng)上，這些電壓軌由降壓開關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器供電。但是，如果主電源出現(xiàn)故障，這些類型的 IC 并未針對(duì)在系統(tǒng)中還包含備用電池的配置進(jìn)行優(yōu)化。因此，當(dāng)使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)（它可以升壓或降壓），它將允許電池的整個(gè)工作范圍得到利用。這增加了工作裕度并延長(zhǎng)了電池的運(yùn)行時(shí)間，因?yàn)殡姵氐氖褂脡勖L(zhǎng)，特別是當(dāng)它接近其放電曲線的下限時(shí)。

相應(yīng)地，便攜式醫(yī)療儀器中使用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案（也可能包含一個(gè)原電池）應(yīng)具有以下屬性：

具有寬輸入電壓范圍的降壓-升壓 DC/DC 架構(gòu)，可通過各種電池供電電源及其相關(guān)電壓范圍調(diào)節(jié)VOUT

超低靜態(tài)電流，無論是在工作模式下還是關(guān)斷狀態(tài)下，都可以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間

有效地為系統(tǒng)軌供電的能力

用于衰減浪涌電流的電流限制，從而保護(hù)電池

體積小、重量輕、外形小巧的解決方案

先進(jìn)的封裝可提高熱性能和空間效率

因此，任何滿足這些要求的單片降壓-升壓電源 IC 都必須具有包括同步操作以實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換的特性，并且能夠在降壓模式下從各種輸入源提供高達(dá) 5A 的連續(xù)輸出電流，包括單節(jié)或多節(jié)電池、不受管制的墻壁適配器、太陽(yáng)能電池板和超級(jí)電容器。此外，它必須具有 2.5 V 至 18 V 的輸入電壓范圍才能處理此輸入源陣列。

從輸出電壓的角度來看，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器必須能夠調(diào)節(jié)高于、低于或等于輸出的輸入，并且可以在 0.8 V 至 18 V 范圍內(nèi)進(jìn)行編程。突發(fā)模式操作是另一個(gè)需要的特性，因?yàn)樗岣咻p負(fù)載效率，同時(shí)延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。具有四開關(guān) PWM 降壓-升壓拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器通?？稍谒泄ぷ髂Ｊ较绿峁┑驮肼暋o抖動(dòng)切換，使其適用于對(duì)電源噪聲敏感的射頻和精密模擬應(yīng)用。該器件還應(yīng)包括可編程最大功率點(diǎn)控制 (MPPC) 功能，確保從具有更高輸出阻抗的電源（包括光伏電池）提供最大功率。

在 Analog Devices 的 LTC3119 中可以找到這些產(chǎn)品屬性的良好復(fù)制品。這款單片降壓-升壓轉(zhuǎn)換器包括四個(gè)內(nèi)部低 RDSONN 溝道 MOSFET，可提供高達(dá) 95% 的效率?？梢越猛话l(fā)模式操作，提供低噪聲連續(xù)切換。使用內(nèi)部 PLL 進(jìn)行外部頻率編程或同步可以在 400 kHz 至 2 MHz 的寬開關(guān)頻率范圍內(nèi)工作，從而可以在轉(zhuǎn)換效率和解決方案尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。

其他特性包括短路保護(hù)、熱過載保護(hù)、小于 3 μA 的關(guān)斷電流和電源良好指示器。該器件結(jié)合了纖巧的外部元件、寬工作電壓范圍、緊湊的封裝和低靜態(tài)電流，使其非常適合射頻電源、大電流脈沖負(fù)載應(yīng)用、系統(tǒng)備用電源，甚至鉛酸電池12V 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。圖 1：LTC3119 原理圖展示了高水平的集成度和性能。

結(jié)論為設(shè)計(jì)各種電池供電和/或電池后備醫(yī)療系統(tǒng)提供了巨大的機(jī)會(huì)。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇滿足關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)的正確電源轉(zhuǎn)換解決方案時(shí)面臨著艱巨的挑戰(zhàn)，這些目標(biāo)包括輸入到輸出電壓限制、功率水平和易于設(shè)計(jì)，同時(shí)又不影響效率和運(yùn)行時(shí)間。滿足排放規(guī)范和解決方案尺寸。

設(shè)計(jì)一個(gè)既能滿足系統(tǒng)目標(biāo)又不影響性能的解決方案可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。幸運(yùn)的是，來自眾多電源 IC 供應(yīng)商的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器解決方案越來越多，這些解決方案簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，提供了一流的功能，并且由于效率高而能夠最大限度地延長(zhǎng)電池充電周期之間的運(yùn)行時(shí)間手術(shù)。

審核編輯 黃昊宇