高性能功率半导体提高医疗设备的能源效率

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特约作家

医疗设备中的电源管理不仅包括外部电池和电源，还包括有助于管理任何应用中的能源的集成半导体解决方案，从大功率成像系统到便携式和植入式设备。无论应用如何，目标都是最大限度地提高能源效率，从而优化静态和活动能量状态之间的平衡。

OEM 医疗设计的主要要求包括低功耗组件的选择、将设备置于低功耗状态的能力、用于控制和执行高级计算的强大 CPU 内核以及用于存储两个程序图像的大型非易失性存储器和用户数据。这些设计还需要大量外围设备来连接各种模拟或数字系统。

然而，高效的 DC/DC 或 AC/DC 电源和极低功耗的微控制器 (MCU) 以最大限度地延长电池寿命是医疗诊断设备中正确电源管理的关键要素。模数转换器 (ADC) 的分辨率和速度也是测量精度的基础，它们必须提供高能效和无线连接。

便携式设备的电池管理

与其他类型的电源相比，可充电锂离子电池具有许多优势。它们的化学成分可以使设备小型化，以适应可穿戴医疗设备的严格要求。此外，这些电池可提供出色的充电循环，从而延长整个系统的使用寿命。

具有充足可充电电池和低功率电路解决方案的医疗设备的使用寿命延长可防止频繁的维护干预，并在可充电电池出现任何并发症的情况下保护患者免受伤害。

可充电电池的能量管理系统由电池、充电电路和电池管理单元 (BMU) 组成。电池包含电极以存储能量，从而为医疗设备供电。充电管理电路可以评估电池和医疗设备之间的电流和电压状况。监控电池组内每个电池的电压对于确定设备的一般状态至关重要。超出电压范围的电池操作会显着降低电池寿命。充电器必须在充电过程中监控锂离子电池的状态，以将其保持在安全工作区域内。

BMU 为电池提供保护，将其限制为电流和电压的最大值（和最小值）。对于植入式医疗设备，例如心脏起搏器、心脏复律除颤器、药物输送泵和神经刺激器，需要进一步考虑消毒、环境条件和患者受伤的可能性。

需要系统保护来降低电池故障的风险。简单 BMU 的功能块分组变化很大，从提供平衡和监控并需要 MCU 的简单模拟前端到自主运行的高度集成解决方案。

电量计功能块跟踪进入和离开电池的电流。将电流检测放大器和具有集成低分辨率 ADC 的 MCU 配对是测量该电流的一种方法。高分辨率 ADC 以牺牲速度为代价提供宽动态范围。对于不规则负载，逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 被证明是一个成功的选择（图 1 和图 2）。

图 1：心电监护仪的典型传感器电路。（图片：RECOM）

图 2：不同类型的电池平衡：(A) 旁路电池平衡 FET 用于慢速充电，(B) 有源平衡用于放电周期。（图片：瑞萨电子）

集成解决方案的一个示例是 Analog Devices Inc. 的 ADP5350 BMU，它集成了一个高性能降压稳压器、一个电量计、一个工作在 1.5MHz 开关频率下用于 LED 照明的升压稳压器和三个 150mA低压差 (LDO) 稳压器。该器件具有一个内部场效应晶体管 (FET)，允许电池在系统的电源侧绝缘（图 3），从而提供更大的保护。

图 3：带有 ADP5350 电池管理单元的典型应用电路。（图片：模拟设备公司）

智能电池还可以配备基于 SHA-1 标准的身份验证密钥，以保护电池供电的医疗设备。此密钥可能是所有制造商电池的标准或特定于医疗设备制造商。特定的自定义身份验证密钥可以与私人电池标签结合使用。

Maxim Integrated 的 MAX14663 就是一个例子，它是一款用于便携式医疗设备（包括血糖仪）的完整能源管理解决方案。该器件集成了开关充电器和Maxim专有的ModelGauge电量计，可准确估算可充电锂离子电池的可用电量。还集成了升压转换器和 LED 电流吸收器，为 OLED 显示器供电并提供 LED 背光。

大功率转换器

医疗保健设备受到行业标准要求和相关测试的严格监管，以保护患者和医疗保健专业人员。商用交流或直流设备的隔离程度不足以满足医疗标准。许多只有一种保护措施，而且绝缘能力通常太高，无法满足低漏电流的要求。

相关的安全标准是“医用电气设备”IEC 60601-1 及其国家版本，欧洲的 EN 60601-1 和美国的 ANSI/AAMI ES60601-1。该标准包括对医疗保健中使用的电气和电子设备的一系列要求。

根据 IEC 60601-1，医疗设备必须包含至少一种保护手段 (MOP)，以确保即使在故障情况下也能保护患者和操作员免受电击风险。该标准以略微不同的方式对待操作员和患者，确定了不同的分类：操作员保护方式 (MOOP) 和患者保护方式 (MOPP)。因此，医疗设备必须有两个 MOP，这样如果一个测量失败，第二个测量仍然可以提供足够的保护。

一种可能的解决方案是使用 2-MOOP 医疗级 AC/DC 隔离电源以及一个或多个医疗级 DC/DC 转换器形式的传感器电子设备附加电源隔离级（图 4）。

图 4：使用 DC/DC 转换器满足医疗应用要求。（图片：RECOM）

包括 Traco 在内的各种电源制造商提供各种 AC/DC 和 DC/DC 设备，满足医疗应用的所有 MOPP 要求。Traco 的 AC/DC 解决方案范围从小型 5 W PCB 安装模块到提供高达 450 W 功率水平的设计。

所有高效 DC/DC 转换器都是开关电源，会产生传导和辐射的电磁噪声。60601-1-2 医疗标准有噪声限制，必须在 DC/DC 转换器中尽可能地抑制或外部过滤。

模块化 DC/DC 转换器是一种简单的解决方案。RECOM 的 2 瓦 REM2 系列产品就是一个例子，它在紧凑的 SIP8 封装中提供 2-MOPP 隔离和 250-VAC 工作电压。该转换器已根据 IEC/EN/ES 60601-1 进行了预认证，使最终的一致性测试更加容易。

低功耗MCU

微控制器的低功耗是最新一代嵌入式应用最重要的特性。需要极低的功耗才能将电池寿命延长至 15 至 20 年。这需要非常复杂的节能策略来满足运行模式下每 MHz 几 μA 和睡眠模式下几 nA 的功耗水平。

低功耗现在是微控制器制造商的强制性目标。例如，瑞萨电子推出了基于 32 位 Arm Cortex-M 内核的 Renesas Advanced (RA) 系列微控制器，适用于包括医疗行业在内的各种应用。RA 系列通过 PSA 1 级认证，包括 RA2 系列（最高 60 MHz）、RA4 系列（最高 100 MHz）、RA6 系列（最高 200 MHz）和双核系列 RA8 ，尚未发布。

结论

电池寿命对于便携式医疗设备至关重要。医疗 OEM 应确保他们选择的电源完全符合并经认证符合现行版本的医疗用品安全标准。无线连接、高速数字处理和实时监控等功能的融合还需要精确的电池电流测量。

审核编辑 黄昊宇