便携式医疗应用的电源问题
中心议题：
- 典型手持医疗系统
- LDO和降压转换器的功能
解决方案：
- 优化便携式系统硬件效率
- 优化电源管理软件
在将病人送往医院就诊之前，便携式医疗保健设备可帮助医疗专业人士监控病人生命体征、恢复心脏跳动、利用超声检查体内状况。就此，在医院便携式医疗设备越来越频繁的出现在人们视线中。便携式医疗的目的是给家庭提供易于使用、可互操作并具有诊断价值的医疗保健设备，以便将相关费用纳入医疗保险范围。避免里医院出诊，降低了医疗成本。病人在家就可以通过使用便携式医疗设备来监控血压、肺活量、血糖水平，以及记录心脏事件。重要的是便携式医疗设备都带有USB或无线数据连接，可以更好的让医疗专业人员在医院和在家不间断地监控病人状况。同时，Continua Alliance正在制定基于USB、Zigbee和蓝牙标准的互通协议，以来加速这些通信接口的使用。由于采用电池供电的便携式医疗设备计算能力一般、尺寸偏大、运算时间不长等不足，使得电源系统设计工作极具挑战性。电源系统对电池大小、运行时间、待机时间、物料（BOM）成本和可靠性均有影响。
便携式医疗系统所涵盖的应用极其广泛，包括血压监控、血糖仪、脉搏血氧仪和超声应用等。应用要求的工作时间也不同，有的工作时间短，但是需要较长的待机时间，有的要求硬件长时间的工作。虽然终端应用千差万别，但大多数便携式系统都一个核心功能：传感器采集数据，微处理器（带专用软件）分析数据，存储器存储软件和数据，以及数据连接用于访问结果。图1显示了一个带键盘和显示器的典型手持式便携系统。当连接市电时，便携式系统必须能够发挥最大处理能力，同时不会产生过多热量；当保持便携状态时，电池使用时间必须最大化。电源系统因素，电池容量、电源系统效率和电源管理软件等。都将影响电池的最长使用时间，即便携式设备需要充电或更换电池之前工作的时间量。只有充分利用好所有因素降低电池的消耗，有效使用电池，才能使电池寿命达到最长。大多数高性能便携式系统采用3.6V标称输出的锂离子充电电池供电。
图1 典型手持医疗系统
便携式系统包含优化半导体工艺和工作电压要求的多个集成电路。便携式应用需要使用降压调节器来调节IC采用比电池更低的工作电压问题。当今最常用的调节器是低压差（LDO）和降压型开关调节器，如图2所示。LDO由基准电压源、误差放大器、分压器和传输管（pass transistor）组成。低压差调节器只需使用两个外部电容就能用较高直流电压产生较低直流电压，十分简便。但是，当Vin远高于Vout时，未输送到负载的功率会以热量形式损失。LDO效率约为（Vo/Vin）×100%.LDO效率将变得低下。
图2 LDO和降压转换器的功能框图
LDO无法储存大量未使用的能量，因此未输送到负载的功率以热量形式在LDO内部耗散。例如，连接到3.6V电池的2.6V LDO的效率为72%.此外，当要求LDO最大程度地省电时，必须检查其静态电流和使能功能。其中ADP150就是一款出色的低静态电流LDO.当系统处于正常工作模式与休眠模式之间的空闲模式时，低静态电流（Iq）可以减少系统的功耗，从而提高系统的自主性。使能输入引脚允许LDO关断，使休眠模式下的功耗不到1μA,从而延长电池使用时间。
当电源电压比工作电压高得多时，通过开关DC/DC转换器能获得更好的效率，在将一个直流电压转换为另一个直流电压时，它的能量能暂时存储在电感磁场，然后释放给负载。便携式开关调节器以500kHz~3MHz的频率工作。DC/DC开关转换器有多种拓扑结构。内置开关元件的同步降压型调节器用于输出电压远低于输入电压的场合，在便携式系统中最为常用。用降压调节器替换LDO可以提高系统效率。例如，当利用LDO将系统电压从3.6V降至1.2V,为负载电流为300 mA的微处理器内核供电时，LDO效率约为1.2V/3.6V×100%=33%,67%的输入功率以热量形式损失。为了提高效率并降低工作温度，应当用ADP2108等降压转换器取代LDO.降压转换器能将能量储存在电感的磁场中，因而效率更高。用过使用ADIsimPowerTM设计工程师会发现，在相同条件下ADP2108的效率为80%,比LDO提高47%.然而ADP2108尺寸较小，仅使用两个去耦电容和一个1μH芯片电感，几乎可以直接取代LDO.，低静态电流、使能功能以及负载电流较小情况下的省电模式，都是选择变压转换器的性能指标。
延长电池使用时间，除了优化便携式系统硬件效率以外，还必须优化电源管理软件。运行复杂的专用软件需要使用高耗电量的高速微处理器。降低处理器速度可以降低功耗，延长电池运行时间，但软件性能会下降。系统架构师可以通过选择最适合应用的处理器速度来提高系统效率。便携式系统还可以通过关断子系统来达到省电的目的，如微处理器、显示器背光、数据端口和处于测量间隙的传感器，使用调节器的使能输入或ADP190/ADP195等负载开关来隔离电池，如图1所示。
设计便携式电源系统时，并不存在万能的解决方案。延长电池使用时间的方法有许多种，有的方法可能优于其他方法。本文所述的技术同时适用于便携式和市电供电的医疗设备，能够提高系统效率，降低内部温度和运行成本。
