將醫療健康領(lǐng)域作為公司的五大核心目標市場(chǎng)之一的ADI，公司就見(jiàn)證了該市場(chǎng)的快速成長(cháng)，過(guò)去幾年中生命體征監測成為所有地區增長(cháng)最快的細分市場(chǎng)之一，該公司的重點(diǎn)應用包括醫療影像、生命體征監測、體外診斷及生命科學(xué)儀器等主要細分市場(chǎng)。10年前，生命體征監測主要應用于醫院以及救護車(chē)和直升機等專(zhuān)業(yè)救助設備，最大的市場(chǎng)是床邊監視器和重癥監護病房的監視器；現在，具有生命體征監測功能的可穿戴設備使醫生能夠遠程監控病人，實(shí)現以較少的專(zhuān)業(yè)人員監控更多的人群。

 

 

電源設計，杜絕掉鏈子

 

可穿戴醫療健康市場(chǎng)對元器件的主要需求是超低功耗、高集成度和小尺寸等，ADI公司服務(wù)醫療市場(chǎng)幾十年，深刻的認識到低功耗精密元器件是便攜式無(wú)線(xiàn)醫療設備得以迅速發(fā)展的關(guān)鍵。這些醫療級產(chǎn)品通常在可靠性、運行時(shí)間和魯棒性方面有很高的標準，但其中大部分負擔都落在電源管理系統及其組件上。醫療監測產(chǎn)品通常需要能在各種電源之間無(wú)縫切換，如電池、市電、超級電容器，甚至采集的環(huán)境能量。

 

對于醫療可穿戴設備的電力系統架構師而言，設計的系統必須受到保護，有時(shí)必須能夠容忍故障條件，以便在電池供電的情況下最大限度地延長(cháng)運行時(shí)間，同時(shí)還必須確保只要存在有效的電源，系統的正常運行都是可靠的。ADI的LTC4041就是一款這樣的電源解決方案，面向2.9V至5.5V電源軌的完整超級電容器后備電源管理系統，這類(lèi)電源軌在主電源出現故障時(shí)必須保持有效。超級電容器的功率密度高于電池，從而使其非常適合在短時(shí)間段內需要高峰值備份功率的系統。

 

 

 

新型備用管理器電源解決方案

 

眾所周知，超級電容、電池和/或二者的組合可以用作幾乎所有電子系統的備用電源，那么有哪些解決方案可用呢？

 

首先，任何高可用系統解決方案都會(huì )需要一個(gè)完整的電池備用電源管理系統，其必須能夠在主電源發(fā)生故障時(shí)讓3.5V至5V電源軌保持供電。電池提供的能量比超級電容要多很多，因此需要備用電源長(cháng)時(shí)間供電的應用使用電池更合適。相應地，任何高可用系統解決方案都需要片內雙向同步轉換器，以便對備用電池高效率充電；如果主電源軌發(fā)生中斷，它還能向下游負載提供高電流備用電源。因此，當外部電源可用時(shí)，該器件將用作單節鋰離子或LiFePO4電池的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統負載以?xún)?yōu)先權。然而，如果輸入電源突然降至可調電源失效輸入(PFI)閾值以下，該IC將需要充當升壓調節器，以從備用電池向系統輸出提供幾安培的電流。因此，如果發(fā)生電源故障，該IC將需要執行電源路徑控制，以提供反向阻斷并在輸入電源和備用電源之間無(wú)縫切換。

 

與電池類(lèi)似的是超級電容。但是，超級電容不支持主電源長(cháng)時(shí)掉電的場(chǎng)合，但它是需要高功率、短時(shí)間備用電源的系統的出色選擇。因此，任何支持此類(lèi)應用的IC通常都需要能夠在主電源中斷期間支持2.9V至5.5V電源軌。眾所周知，超級電容的功率密度高于電池，這使其成為短時(shí)間內需要高峰值功率備用電源的系統的理想選擇。

 

上文提到的LTC4041就使用了片內雙向同步轉換器，提供高效率的降壓超級電容充電，以及高電流、高效率的升壓備用電源。當外部電源可用時(shí)，該器件用作一個(gè)或兩個(gè)超級電容單元的降壓電池充電器，同時(shí)賦予系統負載以?xún)?yōu)先權。當輸入電源降至可調PFI閾值以下時(shí)，LTC4041切換到升壓工作模式，可以從超級電容向系統負載提供最高2.5A的電流。在電源故障期間，該器件的PowerPath™控制功能提供反向阻斷以及從輸入電源到備用電源的無(wú)縫切換。LTC4041的典型應用包括醫療設備、功率計、工業(yè)報警器、服務(wù)器和固態(tài)驅動(dòng)器等應用中的緊急備用電源。圖1顯示了一個(gè)典型LTC4041應用原理圖。

 

兩個(gè)堆疊串聯(lián)超級電容器的 LTC4041 超級電容器備份電源管理器

 

LTC4041有一個(gè)可選的OVP功能，使用外部FET來(lái)保護IC免受高于60V的輸入電壓的影響。內部超級電容平衡電路使每個(gè)超級電容上的電壓保持相等，并將每個(gè)超級電容的最大電壓限制在預定值。其可調輸入限流功能支持采用限流電源供電，同時(shí)系統負載電流優(yōu)先于電池充電電流。外部斷開(kāi)開(kāi)關(guān)在備用電源供電期間將主輸入電源與系統隔離開(kāi)來(lái)。該器件還具有輸入電流監控功能、輸入電源失效指示器和系統電源失效指示器。

 

另外，對于有熱約束和空間約束的醫療系統的電源設計人員來(lái)說(shuō)，擁有一個(gè)緊湊高效的5v buck變換器是非常重要的。LTC3309A 是一款非常小巧的高效率、低噪聲、單片同步 6A 降壓型 DC/DC 轉換器，采用 2.25V 至 5.5V 的輸入電源工作。該器件采用了Silent Switcher結構，最大限度降低了 EMI 發(fā)射。

 

LTC3309A 可工作在強制連續或脈沖跳躍模式 (以實(shí)現低噪聲)或低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode) (以在輕負載條件下實(shí)現高效率)，非常適合電池供電型系統。該 IC 可調節低至 500mV 的輸出電壓。其他特點(diǎn)包括輸出過(guò)壓/短路保護、熱停機、時(shí)鐘同步和高達 100% 的工作占空比 (以實(shí)現低壓差)。該器件采用外形扁平的 12 引腳 2mm × 2mm × 0.74mm LQFN 封裝，此封裝具有裸露焊盤(pán)以實(shí)現低熱阻。

 

結論

雖然可穿戴設備的發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)從健身轉移到了醫療，但這也意味著(zhù)系統設計人員面臨著(zhù)更苛刻的系統要求并因此具有更嚴峻的設計挑戰，例如耐熱和空間受限的外殼以及如何能夠在不受干擾或中斷的情況下傳輸數據等，這些挑戰背后都或多或少的能找到從電源方面的解決方案。ADI的超低噪聲穩壓器LTC3309A和備用管理器LTC4041可滿(mǎn)足可穿戴式設備小型、緊湊、熱效率高和魯棒的解決方案的需求。

 

在智能可穿戴體征信號檢測市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品組成方面，ADI有著(zhù)完整的產(chǎn)品線(xiàn)組合，包括從電源到體溫、阻抗、光學(xué)等傳感器、模擬信號轉數字信號的高集成模擬前端或分立信號鏈產(chǎn)品，特別是ADI成功收購電源技術(shù)領(lǐng)先提供商凌力爾特公司后，更整合了后者獨具優(yōu)勢的電源技術(shù)，從而提供更具競爭優(yōu)勢的萬(wàn)恒解決方案?？纱┐黧w征信號監測設備是一個(gè)復雜的系統性設計產(chǎn)品，這種整合的完整解決方案有助于從電源、信號鏈到系統的完美設計。