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作者：Felipe Neira和Marc Smith

摘要

這篇文章分兩部分，介紹經過驗證的針對遠程病人生命體征監測應用的開關模式電源電路設計，包括具有出色系統信噪比性能的生物傳感器。第一部分說明提供出色性能的分立解決方案，第二部分說明針對空間受限應用的集成解決方案。

(資料圖)

您將會學到什么知識：

· 了解如何根據PPG系統要求選擇電源配置。

·審查分立（第一部分）和集成設計（第二部分）的開關模式電源參考電路的實現。

·理解電源性能測試方法，以在不同器件用例和瞬態加載條件下驗證系統。

·獲取檢查清單以驗證實現。

·獲得故障排除知識以解決實施問題。

本文分兩部分，介紹經過預先驗證的針對光電容積脈搏波（PPG）遠程病人生命體征監測應用的電源電路設計，包括具有出色系統信噪比性能的生物傳感器。PPG器件可用來測量血容量的變化，從中得出血氧水平和心率等生命體征信息。第一部分說明提供出色性能的分立電源電路設計解決方案，其使用MAX86171光脈沖血氧儀和心率傳感器模擬前端（AFE）。第二部分說明用于空間受限應用的集成解決方案。

開關模式電源（也稱為SMPS或DC－DC轉換器）通常用于可穿戴醫療健康應用，其原因包括尺寸考慮和能效比等。設計人員可以使用這些電源來創建使用壽命更長的電池供電產品。遺憾的是，設計人員仍然需要選擇適當的SMPS器件，然后創建合適的電路板布局，以保護系統中生物傳感器件的性能。

為了簡化和加快開發流程，ADI公司提供經過預先驗證（即設計、構建和測試）的電源子系統電路設計，以保障每個生物傳感AFE器件的信噪比（SNR）性能。本文詳細介紹這些電源電路，每個示例都附有驗證檢查清單和故障排除指南，以在有需要的時候幫助電路設計人員。圖1顯示了許多遠程病人監測應用中都會看到的標準電源框圖。

設計限值

注釋：

二次電池（LiPo）

一次電池（鋰紐扣電池）

設計配置

分立設計描述

這種DC－DC轉換器設計可調節三輸出電源軌，以用于遠程病人生命體征監測子系統。該電路提供適當的電壓和負載調整率，同時保持低輸出噪聲水平以維護生物傳感SNR性能，電源采用可充電鋰聚合物電池或一次鋰電池。圖2顯示了使用分立電源器件的PPG子系統。

關鍵元件

L1和C1是特別選擇的無源元件，對于DC－DC轉換器（也稱為開關模式電源）的性能至關重要。

使用nanoPower降壓轉換器的1．8V SMPS電路

以下電路基于MAX38640A nanoPower降壓轉換器（圖3），顯示了在遠程病人生命體征監測應用中正確操作SMPS器件的典型輸入和輸出電源電平。如圖3所示，可以使用數字萬用表（DMM）探測輸入和輸出端口，以驗證電源電壓電平。電源輸出電平可能因為各種因素而不同，例如：

電池放電。

負載變化（器件模式變更、器件從睡眠模式喚醒等）。

1．8V SMPS電路驗證檢查清單

以下電路驗證檢查清單（圖4）旨在幫助設計人員對1．8V SMPS電路印刷電路板組件進行各項電氣基準檢查。該清單也可用作產品測試的模板。

下表可用作檢查清單來驗證模擬或數字1．8V SMPS電路的操作，該電路使用MAX38640A器件并連接到一個生物傳感電路負載。

MAX38640A（1．8V輸出）SMPS電路故障排除

如果1．8V SMPS電路的操作出現問題，以下電路故障排除說明（圖5）可為設計人員提供幫助。本指南解決實現此類開關模式電源時可能遇到的最常見問題。

MAX38640A SMPS電路故障排除：

第1步 – 檢查輸入電壓：使用內部阻抗為1MΩ或更大的數字萬用表（DMM）（例如Fluke 87）測量MAX38640A器件輸入端的電壓。務必將負極“黑色”引線連接到地，正極“紅色”引線連接到器件的輸入“IN”引腳。如果輸入引腳不易接近，請將引線穿過輸入電容CIN。

使用下表診斷和解決相關問題：

第2步 – 檢查電感信號波形：使用示波器或數字存儲示波器（DSO）探測MAX38640A器件上的LX引腳。如果輸入引腳不易接近，請將探頭放在電感端電容上。

注釋：建議使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。

如果電路在輕負載（即小于50mA）下運行，則波形應如圖6所示。

如果電路在重負載下運行，則波形應為方波，上升沿和下降沿的振鈴最小，如圖7所示。

方波幅度應約等于輸入電池電壓。方波底電壓應在地以下約200mV至300mV（例如－250mV）。占空比與輸出電壓成正比。因此，當產生1．8V的輸出電壓時，3．6V的輸入電池電壓將具有大約50％的占空比。圖8顯示了占空比和輸出電壓的關系。

與理想方波的偏差可用于有效診斷和解決許多問題。

使用下表診斷和解決相關問題：

第3A步 – 檢查輸出直流電壓：使用內部阻抗為1MΩ或更大的DMM（例如Fluke 87）測量MAX38640A器件輸出端的電壓。務必將負極“黑色”引線接地，正極“紅色”引線連接到器件的輸出“OUT”引腳。如果輸出引腳不易接近，請將引線穿過輸出電容COUT。

使用下表診斷和解決相關問題：

第3B步 – 檢查輸出交流電壓：使用示波器或DSO，通過探測MAX38640A器件上的OUT引腳來測量輸出紋波（AC）。為了正確測量輸出并最大限度地減少射頻拾取，建議使用10x豬尾引線探頭。也可以使用差分有源探頭以進一步降低環境噪聲。

注釋：建議使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。

如果電路工作正常，波形應該是1．8VDC輸出，上面疊加一個小紋波波形。圖9顯示了紋波波形。

使用下表診斷和解決相關問題：

使用低噪聲降壓－升壓轉換器的5．0V SMPS電路

以下電路基于MAX20343H低噪聲降壓－升壓轉換器，顯示了在遠程病人生命體征監測應用中正確操作SMPS器件的典型輸入和輸出電源電平。如圖10所示，可以使用DMM探測輸入和輸出端口，以驗證電源電壓電平。電源輸出電平可能因為各種因素而不同，例如：

電池放電。

負載變化（器件模式變更、器件從睡眠模式喚醒等）。

5．0V SMPS電路驗證檢查清單

以下電路驗證檢查清單（圖10）旨在幫助設計人員對5．0V SMPS電路印刷電路板組件進行各項電氣基準檢查。該清單也可用作產品測試的模板。

下表可用作檢查清單來驗證模擬5．0V SMPS電路的操作，該電路使用MAX20343H器件并連接到一個生物傳感電路負載。

5．0V SMPS電路故障排除指南

如果5．0V SMPS電路的操作出現問題，以下電路故障排除說明（圖11）可為設計人員提供幫助。本指南解決實現此類開關模式電源時可能遇到的最常見問題。

MAX20343H SMPS電路故障排除：

第1步 – 檢查輸入電壓：使用內部阻抗為1MΩ或更大的DMM（例如Fluke 87）測量MAX20343H器件輸入端的電壓。務必將負極“黑色”引線連接到地，正極“紅色”引線連接到器件的輸入“IN”引腳。如果輸入引腳不易接近，請將引線穿過輸入電容CIN。

使用下表診斷和解決相關問題：

第2步 – 檢查電感信號波形：使用示波器或DSO探測MAX20343H器件上的HVLX引腳。如果輸入引腳不易接近，請將探頭放在電感端電容上。

注釋：建議使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。

如果電路正常工作，則波形應為脈沖波，上升沿和下降沿的振鈴最小，如圖12所示。

500ns脈沖波幅值應約等于輸入電池電壓。脈沖波底電壓應在地電位的100mV以內。脈沖波的輸出頻率和占空比與負載電流成正比。圖13和14顯示了不同負載條件下的輸出波形和信號頻率。

與理想方波的偏差可用于有效診斷和解決許多問題。

使用下表診斷和解決相關問題：

第3A步 – 檢查輸出直流電壓：使用內部阻抗為1MΩ或更大的DMM（例如Fluke 87）測量MAX20343H器件輸出端的電壓。務必將負極“黑色”引線接地，正極“紅色”引線連接到器件的輸出“OUT”引腳。如果輸出引腳不易接近，請將引線穿過輸出電容COUT。

使用下表診斷和解決相關問題：

第3B步 – 檢查輸出交流電壓：使用示波器或DSO，通過探測MAX20343H器件上的OUT引腳來測量輸出紋波（AC）。為了正確測量輸出并最大限度地減少射頻拾取，建議使用10x豬尾引線探頭。也可以使用差分有源探頭以進一步降低環境噪聲。

注釋：建議使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。

如果電路工作正常，波形應該是1．8VDC輸出，上面疊加一個小紋波波形。圖15顯示了紋波波形。

使用下表診斷和解決相關問題：

結語

本文分為兩部分，以上內容是第一部分，介紹了配合基于MAX86171的PPG遠程病人生命體征監護儀使用的預驗證分立電源電路。這些電源電路也可以配合基于MAX86141的PPG器件使用。

本文第二部分介紹配合基于MAX86171和基于MAX86141的PPG遠程病人生命體征監護儀使用的預驗證集成電源電路。

欲了解分立和集成電源實現方案的相應驗證測試數據，請訪問Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）網站：

“適用于遠程病人生命體征監護儀的電源子系統”。

圖片說明：

圖1．典型PPG遠程病人生命體征監護儀的框圖

圖2．使用分立電源器件的PPG子系統的框圖

圖3．1．8VDC MAX38640A SMPS電路，用于遠程病人生命體征監測應用

圖4．1．8VDC MAX38640A SMPS電路設計的驗證檢查清單

圖5．MAX38640A SMPS電路的故障排除工具

圖6．輕負載下典型MAX38640A VLX波形的示波器屏幕截圖

圖7．MAX38640A的開關波形的示波器屏幕截圖

圖8．MAX38640A占空比與輸出電壓的關系圖

圖9．MAX38640A輸出波紋波形的示波器屏幕截圖

圖10．用于遠程病人生命體征監測應用的5．0VDC MAX20343H SMPS電路的框圖

圖11．MAX20343H電路的故障排除工具

圖12．10mA輕負載下典型MAX20343H HVLX波形的示波器屏幕截圖

圖13．125mA負載下典型MAX20343H HVLX波形的示波器屏幕截圖

圖14．246mA負載下典型MAX20343H HVLX波形的示波器屏幕截圖

圖15．MAX20343H （5V）輸出波紋波形的示波器屏幕截圖

參考文獻：

用于生命體征監護儀的電源子系統

設計高精度、可穿戴的光學心率監護儀

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關于ADI公司

Analog Devices， Inc． （NASDAQ： ADI）是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2．4萬余人。攜手全球12．5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。

關于作者

Felipe Neira

應用技術團隊高級成員 － 培訓和技術服務

Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）

作者簡介：Felipe Neira是Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）的應用工程師。他喜歡鉆研便攜式和可穿戴解決方案，側重于健康傳感器的電池電源管理。此外，他為ADI公司的所有廣泛市場產品提供技術支持。Felipe畢業于加利福尼亞大學圣克魯斯分校，獲電氣工程學士學位（BSEE），畢業后不久即加入本公司。

Marc Smith

應用技術團隊主要成員

Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）

作者簡介：Marc Smith是Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）的健康與醫療生物傳感應用技術團隊的成員。他是MEMS和傳感器技術領域的行業專家，在針對多個市場的傳感器產品和電子開發方面擁有超過30年的經驗。Marc擁有12項專利，并撰寫了十多份出版物。他獲得了加利福尼亞大學伯克利分校的電氣工程學士學位（BSEE）和加利福尼亞圣瑪麗學院的工商管理碩士學位（MBA）。

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