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(jiān)測應用的開關模式電源電路設計，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）和集成設計（第二部分）的開關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(jiān)測應用的電源電路設計，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。第一部分說明了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)。第二部分將說明用于空間受限應用的集成解決方案，其使用MAX86141光學脈搏血氧儀和心率傳感器AFE（也可配合MAX86171使用）。

如本文第一部分所述，為了簡化和加快開發(fā)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(tǒng)電路設計，以保障每個生物傳感AFE器件的信噪比(SNR)性能。我們在第一部分中提供了分立方案，現(xiàn)在我們將提供集成解決方案。

重申一下，下面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(jiān)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

集成設計描述

這種DC-DC電源管理集成電路(PMIC)設計可用來調節(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IC具有單電感多輸出(SIMO)降壓-升壓調節(jié)器，通過單個電感提供電源軌，以最大限度地減小總體解決方案尺寸，同時保持高效率。

此電路提供適當?shù)碾妷汉拓撦d調整率，同時保持低輸出噪聲水平，以維護由可充電鋰聚合物電池供電的生物傳感器信噪比(SNR)性能。圖2顯示了使用集成電源器件的PPG子系統(tǒng)。

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PMIC的1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路

以下電路基于MAX77642 PMIC，顯示了在遠程病人生命體征監(jiān)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(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/1.8V/5.0V SMPS電路驗證檢查清單

圖4顯示了用于遠程病人生命體征監(jiān)測的集成MAX77642 PMIC。

集成1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路驗證檢查清單

下表可用作檢查清單來驗證1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路的操作，該電路使用MAX77642器件并連接到一個生物傳感電路負載。

1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路故障排除指南

如果1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路的操作出現(xiàn)問題，以下電路故障排除說明（圖5）可為設計人員提供幫助。本指南解決實現(xiàn)此類集成開關模式電源時可能遇到的最常見問題。

MAX77642 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(shù)字萬用表(DMM)（例如Fluke 87）測量MAX77642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(shù)字存儲示波器(DSO)探測MAX77642器件上的LXA引腳。如果輸入引腳不易接近，請將探頭放在(LXA)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，則波形應為一系列脈沖波，上升沿和下降沿的振鈴最小，如圖6所示。

脈沖波形展示了共享單個電感的三個開關模式電源（也稱為SIMO電源）的時分復用。

與理想脈沖波系列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MAX77642器件三個輸出端的電壓。務必將負極“黑色”引線接地，正極“紅色”引線連接到器件的相關SSBx通道輸出“OUT”引腳。如果輸出引腳不易接近，請將引線穿過相關輸出電容COUT。

使用下表診斷和解決相關SSB0 (1.8VDC)輸出問題：

使用下表診斷和解決相關SSB1 (1.8VDC)輸出問題：

使用下表診斷和解決相關SSB2 (5.0VDC)輸出問題：

第3B步 – 檢查輸出交流電壓：使用示波器或DSO，通過探測MAX77642器件的三個輸出來測量輸出紋波(AC)。建議使用差分技術正確測量輸出并避免射頻拾取。

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，SSB0波形應該是1.8VDC（數(shù)字）輸出，上面疊加一個小紋波波形。圖7顯示了波紋波形。

使用下表診斷和解決相關問題：

如果電路工作正常，SSB1波形應該是1.8VDC（模擬）輸出，上面疊加一個小紋波波形。圖8顯示了波紋波形。

使用下表診斷和解決相關問題：

如果電路工作正常，SSB2波形應該是5.0VDC（用于LED）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：

結語

本文介紹了經過預先驗證的電源電路，包括分立式和集成式，適用于基于MAX86171和基于MAX86141的PPG遠程病人生命體征監(jiān)護儀。集成式和分立式開關模式電源電路設計均支持PPG性能，但集成解決方案尺寸更小，元件數(shù)量更少，建議用于尺寸受限的應用。

欲了解分立和集成電源實現(xiàn)方案的相應驗證測試數(shù)據(jù)，請訪問Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司一部分）網(wǎng)站：“適用于遠程病人生命體征監(jiān)護儀的電源子系統(tǒng)”。

圖片說明：

圖1.典型PPG遠程病人生命體征監(jiān)護儀的框圖

圖2.使用分立電源器件的PPG子系統(tǒng)的框圖

圖3.1.8VDC MAX38640A SMPS電路，用于遠程病人生命體征監(jiān)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(jiān)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(jiān)護儀的電源子系統(tǒng)

設計高精度、可穿戴的光學心率監(jiān)護儀