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远程生命体征监测仪电源子系统

本应用笔记是有关电源子系统系列设计指南的一部分,该系列设计指南旨在引导读者设计并验证开关模式电源,及其在基于Maxim Integrated生物传感器模拟前端(AFE)的远程生命体征监测设备中的应用。以下内容重点介绍目标应用的概况。

从图1所示框图可以看出,不同生物传感器AFE设备需要多路电源为数字电路、模拟电路和外部LED供电。

Typical Wearable Biosensing Subsystem.

图1. 典型可穿戴生物信号检测子系统。

开关电源具有高效率和紧凑的占位面积等优势,是远程患者监护仪的最佳选择。然而,电源设计必须确保Maxim生物传感器的信噪比(SNR)性能不会受到高频开关噪声的影响,因为这些高频开关噪声能够混叠到生命体征信号的采样频带内,降低系统性能。

本设计指南提供了经过验证的电源电路,用于支持生物传感器供电。此外,我们为每个电源方案提供电路验证检查表和故障排查指南,以便在需要时为电路设计者提供帮助。

目标读者

使用Maxim Integrated生物传感器模拟前端(AFE)开发远程病人生命体征监测系统和诊断设备的工程师:

器件型号 功能
MAX30001CWV+
MAX30003CWV+
MAX30004CWV+
ECG、R-to-R、步幅和BioZ生物传感器
超低功耗、单通道集成生物电势(ECG、R to R检测) AFE
超低功耗、单通道集成生物电势HR检测AFE
MAX86140ENP+
MAX86141ENP+
光学脉搏血氧仪和心率生物传感器(MAX86140单通道;MAX86141双通道)
MAX86176ENX+ ECG、光学脉搏血氧仪和心率生物传感器
MAX86131CWA+ 电化学生物传感器
MAX30208CLB+ ±0.1°C精度、I2C 数字温度传感器

从生物传感器数据中析取可操作的信息需要检测系统具备优异的信噪比。采用Maxim模拟前端(AFE)是实现该目标的第一步(Maxim Integrated工程师博客:设计高精度、可穿戴光学心率监测仪;2017年8月;Easson,Craig)。下一步则是辅以完善的电源设计。
本手册为设计师提供以下指南:

  • 根据系统要求选择电源配置
  • 使用分立和/或集成方案的参考电路和布局
  • 采用电源性能测试方法针对不同设备的应用场景和瞬态负载条件进行系统验证
  • 利用完备的检查清单验证实施过程
  • 检查成功实施方案所具备的测试数据
  • 系统集成实施指南
  • 根据故障诊断说明排查问题

远程病人监测系统和医疗可穿戴系统配置

本手册旨在满足以下设计要求:

  • 小尺寸、轻薄设计
  • 以较低的电池重量和较低的成本满足电池寿命要求。多数时间系统保持在待机或低功耗状态;
  • 在采样率低于1kHz时提供极高的信噪比性能;
  • 使用1节或多节原电池或可充电电池,标称电压范围为0.9V至4.2V。例如:
    • LP401230 3.7V 105mAh二次(可充电) LiPo电池
    • LP401xxx 3.7V xxxmAh多节二次(可充电) LiPo电池
    • CR2032 3.0V 235mAh一次(不可充电)锂电池
  • 要求一路或多路电压轨的电源器件,例如:
    • 8V用于数字供电(VDIG),具有快速瞬态响应、较高驱动电流
    • 1.8V模拟电源(VANA),电源噪声会影响传感器的数据完整性
    • 5V电源,用于光学系统中的LED供电 (VLED)

Maxim Integrated的可充电电源系统配置能够支持从3.0V至4.2V的输入电压范围,适用于Li-Ion或LiPo可充电电池的典型应用。器件可提供3路输出:2路1.8V电源(VANA和VDIG)和1路5V电源(VLED),请参考图1所示框图。其中一路电源可提供稳定的1.8V数字电源,用于微控制器的数字电路供电,这类电路中的噪声通常是由数字信号的快速瞬变引起的。

可穿戴应用的电池选择

可穿戴应用中常见的电池分为两大类:一次性电池(不可充电)和二次电池(可充电电池)。一次性电池包括碱性电池、锂离子电池、锌空气电池和氧化银电池;二次性电池包括锂离子和锂聚合物(LiPo或LiPoly)电池。目前,用于可穿戴设备的锂离子和锂聚合物电池由于其在尺寸、重量、能量密度、可重复充电和环保等方面的诸多优势而受到青睐。

设计师应该了解每类电池都有其自身的电气特性(例如:电压输出水平、储能水平、充电/放电特性等)。因此,需要为所使用的每种电池选择相应的开关模式电源(SMPS)电路。此外,当部署较新类型的电池时,工程师需要对其电源电路进行相应的性能评估、特征分析,甚至可能考虑重新设计。

本文介绍的DC-DC转换器电路(开关模式电源或SMPS)能够满足当前不同电池类型的需求。

开关模式电源(DC-DC转换器)电路

以下章节及其后续章节将重点介绍经过验证的参考设计的操作细节,包括:

  • 电路说明,提供相应设计文件(原理图/BOM/布局)的网站链接
  • 确认电路功能实施的验证清单
  • 选择重点体现二次电池典型工作特性的测试数据图表

同时提供了分立式和集成式开关电源选项,帮助设计师满足其具体的PCB布局要求。

 

基于MAX30001的ECG远程病人生命体征监测仪电源子系统

 

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