世界熱點！光電容積脈搏波(PPG)遠程病人生命體征監護儀的電源子系統——第二部分

2023-03-24 15:01:42 來源: 電子創新網

作者：Felipe Neira和Marc Smith ?

摘要

(資料圖片)

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測應用的開關模式電源電路設計，包括具有出色系統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PPG系統要求選擇電源配置。

?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。

?理解電源性能測試方法，以在不同器件用例和瞬態加載條件下驗證系統。

?獲取檢查清單以驗證實現。

?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測應用的電源電路設計，包括具有出色系統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測應用中都會看到的標準電源框圖。

設計限值：

輸入		輸出（VDIG、VANA、VLED）		噪聲，RTO
VIMIN	VIMAX	VOMIN	VOMAX	VPP(max)
3.0V1	4.2V1	1.6V	2.0V	30mVPP
2.0V2	3.0V2	1.6V	2.0V	30mVPP
4.7V	5.3V	20mVPP

注釋：

二次電池(LiPo)

一次電池（鋰紐扣電池）

設計配置

電池實現

電路板區域布局注意事項

分立

一次（紐扣電池）二次(Li & LiPo)

實現單獨的分立電路。

集成

二次(Li & LiPo)

使用單個集成電路以使電路板面積要求最小化。

僅支持二次電池。

集成設計描述

這種DC-DC電源管理集成電路(PMIC)設計可用來調節三輸出電源軌，以用于遠程病人生命體征監測子系統。該IC具有單電感多輸出(SIMO)降壓-升壓調節器，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。

此電路提供適當的電壓和負載調整率，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。

關鍵元件：

標識	元件	描述
U1	DC-DC轉換器	電源轉換器件(MAX77642)
L1	2.2μH電感	低等效串聯電阻(ESR)電感（能量）儲存元件1
C1	22μF電容	低ESR電容（能量）儲存元件1

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。

步驟	操作	程序步驟	測量	需要幫助？
1	檢查輸入直流電源 LP401230 LiPo電池	測量電池兩端的電壓	讀數范圍： 3.0V – 4.2V	故障排除說明
2	檢查輸入直流電源 LP401230 LiPo電池	測量CIN兩端的電壓	讀數范圍： 3.0V – 4.2V
3	檢查VOUT直流電平	測量以GND為基準的SBB1輸出直流電壓	模擬1.8V讀數范圍：1.71V – 1.89V
4	測量以GND為基準的SBB0輸出直流電壓	數字1.8V讀數范圍：1.71V – 1.89V
5	測量以GND為基準的SBB2輸出直流電壓
6	檢查模擬1.8V輸出噪聲電平	在C5上使用豬尾引線10x單端探頭或差分有源探頭	紋波噪聲電平應 < 20mVPP
開關尖峰應 < 30mVP
7	檢查數字1.8V輸出噪聲電平	在C4上使用豬尾引線10x單端探頭或差分有源探頭	紋波噪聲電平應 < 20mVPP
開關尖峰應 < 30mVP
8	檢查模擬5.0V輸出噪聲電平	在C6上使用豬尾引線10x單端探頭或差分有源探頭	紋波噪聲電平應 < 20mVPP
開關尖峰應 < 30mVP

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：

輸入電壓讀數	潛在原因	操作	注釋
零伏/無讀數	電池未充電。電池有缺陷。	斷開電池并檢查電壓。如果讀數為0V，請給電池充電。	如果無法充電，請更換電池。
無電池連接（IN或GND線）	斷開電池，測試從電池連接器到器件輸入的電導率。	PCB可能有開路。
輸入電容對地短路	斷開電池，檢查電容的連續性。	PCB可能有短路。
讀數 < 2.8V	電池電量低電池有缺陷	斷開電池并檢查電壓。如果讀數低于2.8V，請給電池充電。	如果無法充電，請更換電池。
2.8V ≥ 讀數 ≤ 4.2V	無操作。	可工作。
讀數 ≥ 4.2V	電池有缺陷	更換電池。

第2步– 檢查電感信號波形：使用示波器或數字存儲示波器(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：

輸入波形	潛在原因	操作	注釋
幅度不正確	IN pin open IN引腳開路	斷開電池并檢查與DMM的所有連接。	如果需要，修理PCB。
占空比不正確（缺失脈沖）
SSB0脈沖缺失	EN0對GND短路	檢查0V的SSB0輸出。斷開電池，測試從EN0引腳到GND的電導率。	PCB可能有短路。
SSB1脈沖缺失	EN1對GND短路	檢查0V的SSB1輸出。斷開電池，測試從EN0引腳到GND的電導率。	PCB可能有短路。
SSB2脈沖缺失	EN2對GND短路	檢查0V的SSB2輸出。斷開電池，測試從EN0引腳到GND的電導率。	PCB可能有短路。
占空比不正確（脈沖寬度不正確）	輸出電壓選擇電阻；器件有缺陷。	識別與不正確PW相關的SSBx通道，按照以下相關步驟操作。
SSB0 PW不正確	RSET_SSB0對GND短路(SSB0 VO=0.5V)	斷開電池并測試40.2KΩ接GND電阻。	電阻損壞/錯誤。PCB可能有短路。
RSET_SSB0引腳開路(SSB0 VO=5.2V)	斷開電池，測試從電阻到RSET_SSB0引腳的電導率。	PCB可能有開路。焊接不良。
RSET_SSB0電阻值錯誤	斷開電池并測試40.2KΩ接GND電阻。	安裝的電阻損壞/不正確。
SSB1 PW不正確	RSET_SSB1對GND短路(SSB1 VO=0.5V)	斷開電池并測試28KΩ接GND電阻。	電阻損壞（短路）。PCB可能有短路。
RSET_SSB0引腳開路(SSB1 VO=5.2V)	斷開電池，測試從電阻到RSET_SSB1引腳的電導率。	PCB可能有開路。焊接不良。
RSET_SSB0電阻值錯誤	斷開電池并測試28KΩ接GND電阻。	安裝的電阻損壞/不正確。
SSB2脈沖缺失	RSET_SSB2對GND短路(SSB2 VO=0.5V)	斷開電池并測試536KΩ接GND電阻。	電阻損壞（短路）。PCB可能有短路。
RSET_SSB2引腳開路(SSB2 VO=5.5V)	斷開電池，測試從電阻到RSET_SSB2引腳的電導率。	PCB可能有開路。焊接不良。
RSET_SSB2電阻值錯誤	斷開電池并測試536KΩ接GND電阻。	安裝的電阻損壞/不正確。
波形失真圓形上升沿	電感連接不良	重新連接電感。更換電感。	連接不良會導致線路電阻較高。

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：

輸出電壓讀數	潛在原因	操作	注釋
SSB0：零伏/無讀數	從SSB0到COUT無連接。	斷開電池，測試從輸出到COUT的電導率。	PCB可能有開路。
輸出電容對地短路。	斷開電池，檢查電容的連續性。	PCB可能有短路。
SSB0：讀數過低 (< 1.71 VDC)	電感值錯誤電感飽和 RSET_SSB0值錯誤。	斷開電池，檢查電感和/或電阻值。
1.71V ≥ 讀數 ≤ 1.89V	無操作。	可工作。
讀數過高 (> 1.89 VDC)	RSEL值錯誤。	斷開電池并檢查RSEL值。

使用下表診斷和解決相關SSB1 (1.8VDC)輸出問題：

輸出電壓讀數	潛在原因	操作	注釋
SSB1：零伏/無讀數	從SSB0到COUT無連接。	斷開電池，測試從輸出到COUT的電導率。	PCB可能有開路。
輸出電容對地短路。	斷開電池，檢查電容的連續性。	PCB可能有短路。
SSB1：讀數過低 (< 1.71 VDC)	電感值錯誤電感飽和 RSET_SSB1值錯誤。	斷開電池，檢查電感和/或電阻值。
1.71V ≥ 讀數 ≤ 1.89V	無操作。	可工作。
SSB1讀數過高 (> 1.89 VDC)	RSEL值錯誤。	斷開電池并檢查RSEL值。

使用下表診斷和解決相關SSB2 (5.0VDC)輸出問題：

輸出電壓讀數	潛在原因	操作	注釋
SSB2：零伏/無讀數	從SSB0到COUT無連接。	斷開電池，測試從輸出到COUT的電導率。	PCB可能有開路。
輸出電容對地短路	斷開電池，檢查電容的連續性。	PCB可能有短路。
SSB2：讀數過低 (< 4.75 VDC)	電感值錯誤電感飽和 RSET_SSB2值錯誤。	斷開電池，檢查電感和/或電阻值。
4.75V ≥ 讀數 ≤ 5.25V	無操作。	可工作。
SSB1讀數過高 (> 5.259 VDC)	RSEL值錯誤。	斷開電池并檢查RSEL值。

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：

輸入波形	潛在原因	操作	注釋
紋波幅度過高	電容值錯誤；電容有缺陷。	斷開電池并檢查與DMM的所有連接；測量電容值。
寬帶噪聲過高	負載過大；環境噪聲。	檢查負載和環境噪聲。	使用差分探頭探測輸出以減少環境噪聲。
躍遷尖峰過高	負載電感過大；輸入電流不足。	檢查線路電感；用示波器檢查輸入電流。

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：

輸入波形	潛在原因	操作	注釋
紋波幅度過高	電容值錯誤；電容有缺陷。	斷開電池并檢查與DMM的所有連接；測量電容值。
寬帶噪聲過高	負載過大；環境噪聲。	檢查負載和環境噪聲。	使用差分探頭探測輸出以減少環境噪聲。
躍遷尖峰過高	負載電感過大；輸入電流不足。	檢查線路電感；用示波器檢查輸入電流。

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：

輸入波形	潛在原因	操作	注釋
紋波幅度過高	電容值錯誤；電容有缺陷。	斷開電池并檢查與DMM的所有連接；測量電容值。
寬帶噪聲過高	負載過大；環境噪聲。	檢查負載和環境噪聲。	使用差分探頭探測輸出以減少環境噪聲。
躍遷尖峰過高	負載電感過大；輸入電流不足。	檢查線路電感；用示波器檢查輸入電流。

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方案的相應驗證測試數據，請訪問Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）網站：“適用于遠程病人生命體征監護儀的電源子系統”。

圖片說明：

圖1.典型PPG遠程病人生命體征監護儀的框圖

圖2.使用分立電源器件的PPG子系統的框圖

圖3.1.8VDC MAX38640A SMPS電路，用于遠程病人生命體征監測應用?

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：

用于生命體征監護儀的電源子系統

設計高精度、可穿戴的光學心率監護儀

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關于作者

Felipe Neira

應用技術團隊高級成員 - 培訓和技術服務

Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）

www.maximintegrated.com

作者簡介：Felipe Neira是Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）的應用工程師。他喜歡鉆研便攜式和可穿戴解決方案，側重于健康傳感器的電池電源管理。此外，他為ADI公司的所有廣泛市場產品提供技術支持。Felipe畢業于加利福尼亞大學圣克魯斯分校，獲電氣工程學士學位(BSEE)，畢業后不久即加入本公司。

Marc Smith

應用技術團隊主要成員

Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）

www.maximintegrated.com

作者簡介：Marc Smith是Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）的健康與醫療生物傳感應用技術團隊的成員。他是MEMS和傳感器技術領域的行業專家，在針對多個市場的傳感器產品和電子開發方面擁有超過30年的經驗。Marc擁有12項專利，并撰寫了十多份出版物。他獲得了加利福尼亞大學伯克利分校的電氣工程學士學位(BSEE)和加利福尼亞圣瑪麗學院的工商管理碩士學位(MBA)。

關鍵詞：

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