摘要
這篇文章分兩部分，介紹經(jīng)過驗證的針對遠程病人生命體征監(jiān)測應(yīng)用的開關(guān)模式電源電路設(shè)計，包括具有出色系統(tǒng)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(yīng)用的集成解決方案。
您將會學到什么知識：
了解如何根據(jù)PPG系統(tǒng)要求選擇電源配置。
審查分立（第一部分）和集成設(shè)計（第二部分）的開關(guān)模式電源參考電路的實現(xiàn)。
理解電源性能測試方法，以在不同器件用例和瞬態(tài)加載條件下驗證系統(tǒng)。
獲取檢查清單以驗證實現(xiàn)。
獲得故障排除知識以解決實施問題。
本文分兩部分，介紹經(jīng)過預(yù)先驗證的針對光電容積脈搏波（PPG）遠程病人生命體征監(jiān)測應(yīng)用的電源電路設(shè)計，包括具有出色系統(tǒng)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(shè)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(yīng)用的集成解決方案。
開關(guān)模式電源（也稱為SMPS或DC-DC轉(zhuǎn)換器）通常用于可穿戴醫(yī)療健康應(yīng)用，其原因包括尺寸考慮和能效比等。設(shè)計人員可以使用這些電源來創(chuàng)建使用壽命更長的電池供電產(chǎn)品。遺憾的是，設(shè)計人員仍然需要選擇適當?shù)腟MPS器件，然后創(chuàng)建合適的電路板布局，以保護系統(tǒng)中生物傳感器件的性能。
為了簡化和加快開發(fā)流程，ADI公司提供經(jīng)過預(yù)先驗證（即設(shè)計、構(gòu)建和測試）的電源子系統(tǒng)電路設(shè)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(shè)計人員。圖1顯示了許多遠程病人監(jiān)測應(yīng)用中都會看到的標準電源框圖。
設(shè)計限值
注釋：
二次電池（LiPo）
一次電池（鋰紐扣電池）
設(shè)計配置
分立設(shè)計描述
這種DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計可調(diào)節(jié)三輸出電源軌，以用于遠程病人生命體征監(jiān)測子系統(tǒng)。該電路提供適當?shù)碾妷汉拓撦d調(diào)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(tǒng)。
使用nanoPower降壓轉(zhuǎn)換器的1.8V SMPS電路
以下電路基于MAX38640A nanoPower降壓轉(zhuǎn)換器（圖3），顯示了在遠程病人生命體征監(jiān)測應(yīng)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(shù)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(shè)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(chǎn)品測試的模板。
下表可用作檢查清單來驗證模擬或數(shù)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(xiàn)問題，以下電路故障排除說明（圖5）可為設(shè)計人員提供幫助。本指南解決實現(xiàn)此類開關(guān)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(nèi)部阻抗為1MΩ或更大的數(shù)字萬用表（DMM）（例如Fluke 87）測量MAX38640A器件輸入端的電壓。務(wù)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(guān)問題：
第2步 – 檢查電感信號波形：使用示波器或數(shù)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(yīng)如圖6所示。
如果電路在重負載下運行，則波形應(yīng)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(yīng)約等于輸入電池電壓。方波底電壓應(yīng)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(chǎn)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(guān)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(guān)問題：
第3A步 – 檢查輸出直流電壓：使用內(nèi)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(wù)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(guān)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(huán)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(yīng)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(guān)問題：
使用低噪聲降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的5.0V SMPS電路
以下電路基于MAX20343H低噪聲降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，顯示了在遠程病人生命體征監(jiān)測應(yīng)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(shè)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(chǎn)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(xiàn)問題，以下電路故障排除說明（圖11）可為設(shè)計人員提供幫助。本指南解決實現(xiàn)此類開關(guān)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(nèi)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(wù)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(guān)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(yīng)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(yīng)約等于輸入電池電壓。脈沖波底電壓應(yīng)在地電位的100mV以內(nèi)。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(guān)問題：
第3A步 – 檢查輸出直流電壓：使用內(nèi)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(wù)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(guān)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(huán)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(yīng)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(guān)問題：
結(jié)語
本文分為兩部分，以上內(nèi)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(jiān)護儀使用的預(yù)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(jiān)護儀使用的預(yù)驗證集成電源電路。
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