中心議題：

• 典型手持醫(yī)療系統(tǒng)
• LDO和降壓轉換器的功能

解決方案：

• 優(yōu)化便攜式系統(tǒng)硬件效率
• 優(yōu)化電源管理軟件

在將病人送往醫(yī)院就診之前，便攜式醫(yī)療保健設備可幫助醫(yī)療專業(yè)人士監(jiān)控病人生命體征、恢復心臟跳動、利用超聲檢查體內狀況。就此，在醫(yī)院便攜式醫(yī)療設備越來越頻繁的出現在人們視線中。便攜式醫(yī)療的目的是給家庭提供易于使用、可互操作并具有診斷價值的醫(yī)療保健設備，以便將相關費用納入醫(yī)療保險范圍。避免里醫(yī)院出診，降低了醫(yī)療成本。病人在家就可以通過使用便攜式醫(yī)療設備來監(jiān)控血壓、肺活量、血糖水平，以及記錄心臟事件。重要的是便攜式醫(yī)療設備都帶有USB或無線數據連接，可以更好的讓醫(yī)療專業(yè)人員在醫(yī)院和在家不間斷地監(jiān)控病人狀況。同時，Continua Alliance正在制定基于USB、Zigbee和藍牙標準的互通協(xié)議，以來加速這些通信接口的使用。由于采用電池供電的便攜式醫(yī)療設備計算能力一般、尺寸偏大、運算時間不長等不足，使得電源系統(tǒng)設計工作極具挑戰(zhàn)性。電源系統(tǒng)對電池大小、運行時間、待機時間、物料（BOM）成本和可靠性均有影響。　　

便攜式醫(yī)療系統(tǒng)所涵蓋的應用極其廣泛，包括血壓監(jiān)控、血糖儀、脈搏血氧儀和超聲應用等。應用要求的工作時間也不同，有的工作時間短，但是需要較長的待機時間，有的要求硬件長時間的工作。雖然終端應用千差萬別，但大多數便攜式系統(tǒng)都一個核心功能：傳感器采集數據，微處理器（帶專用軟件）分析數據，存儲器存儲軟件和數據，以及數據連接用于訪問結果。圖1顯示了一個帶鍵盤和顯示器的典型手持式便攜系統(tǒng)。當連接市電時，便攜式系統(tǒng)必須能夠發(fā)揮最大處理能力，同時不會產生過多熱量；當保持便攜狀態(tài)時，電池使用時間必須最大化。電源系統(tǒng)因素，電池容量、電源系統(tǒng)效率和電源管理軟件等。都將影響電池的最長使用時間，即便攜式設備需要充電或更換電池之前工作的時間量。只有充分利用好所有因素降低電池的消耗，有效使用電池，才能使電池壽命達到最長。大多數高性能便攜式系統(tǒng)采用3.6V標稱輸出的鋰離子充電電池供電。
 

圖1 典型手持醫(yī)療系統(tǒng)　　

便攜式系統(tǒng)包含優(yōu)化半導體工藝和工作電壓要求的多個集成電路。便攜式應用需要使用降壓調節(jié)器來調節(jié)IC采用比電池更低的工作電壓問題。當今最常用的調節(jié)器是低壓差（LDO）和降壓型開關調節(jié)器，如圖2所示。LDO由基準電壓源、誤差放大器、分壓器和傳輸管（pass transistor）組成。低壓差調節(jié)器只需使用兩個外部電容就能用較高直流電壓產生較低直流電壓，十分簡便。但是，當Vin遠高于Vout時，未輸送到負載的功率會以熱量形式損失。LDO效率約為（Vo/Vin）×100%.LDO效率將變得低下。
 

圖2 LDO和降壓轉換器的功能框圖　　

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LDO無法儲存大量未使用的能量，因此未輸送到負載的功率以熱量形式在LDO內部耗散。例如，連接到3.6V電池的2.6V LDO的效率為72%.此外，當要求LDO最大程度地省電時，必須檢查其靜態(tài)電流和使能功能。其中ADP150就是一款出色的低靜態(tài)電流LDO.當系統(tǒng)處于正常工作模式與休眠模式之間的空閑模式時，低靜態(tài)電流（Iq）可以減少系統(tǒng)的功耗，從而提高系統(tǒng)的自主性。使能輸入引腳允許LDO關斷，使休眠模式下的功耗不到1μA,從而延長電池使用時間?！　?br />
當電源電壓比工作電壓高得多時，通過開關DC/DC轉換器能獲得更好的效率，在將一個直流電壓轉換為另一個直流電壓時，它的能量能暫時存儲在電感磁場，然后釋放給負載。便攜式開關調節(jié)器以500kHz~3MHz的頻率工作。DC/DC開關轉換器有多種拓撲結構。內置開關元件的同步降壓型調節(jié)器用于輸出電壓遠低于輸入電壓的場合，在便攜式系統(tǒng)中最為常用。用降壓調節(jié)器替換LDO可以提高系統(tǒng)效率。例如，當利用LDO將系統(tǒng)電壓從3.6V降至1.2V,為負載電流為300 mA的微處理器內核供電時，LDO效率約為1.2V/3.6V×100%=33%,67%的輸入功率以熱量形式損失。為了提高效率并降低工作溫度，應當用ADP2108等降壓轉換器取代LDO.降壓轉換器能將能量儲存在電感的磁場中，因而效率更高。用過使用ADIsimPowerTM設計工程師會發(fā)現，在相同條件下ADP2108的效率為80%,比LDO提高47%.然而ADP2108尺寸較小，僅使用兩個去耦電容和一個1μH芯片電感，幾乎可以直接取代LDO.，低靜態(tài)電流、使能功能以及負載電流較小情況下的省電模式，都是選擇變壓轉換器的性能指標?！　?br />
延長電池使用時間，除了優(yōu)化便攜式系統(tǒng)硬件效率以外，還必須優(yōu)化電源管理軟件。運行復雜的專用軟件需要使用高耗電量的高速微處理器。降低處理器速度可以降低功耗，延長電池運行時間，但軟件性能會下降。系統(tǒng)架構師可以通過選擇最適合應用的處理器速度來提高系統(tǒng)效率。便攜式系統(tǒng)還可以通過關斷子系統(tǒng)來達到省電的目的，如微處理器、顯示器背光、數據端口和處于測量間隙的傳感器，使用調節(jié)器的使能輸入或ADP190/ADP195等負載開關來隔離電池，如圖1所示?！　?br />
設計便攜式電源系統(tǒng)時，并不存在萬能的解決方案。延長電池使用時間的方法有許多種，有的方法可能優(yōu)于其他方法。本文所述的技術同時適用于便攜式和市電供電的醫(yī)療設備，能夠提高系統(tǒng)效率，降低內部溫度和運行成本。