作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約作家

醫(yī)療設(shè)備中的電源管理不僅包括外部電池和電源，還包括有助于管理任何應(yīng)用中的能源的集成半導(dǎo)體解決方案，從大功率成像系統(tǒng)到便攜式和植入式設(shè)備。無(wú)論應(yīng)用如何，目標(biāo)都是最大限度地提高能源效率，從而優(yōu)化靜態(tài)和活動(dòng)能量狀態(tài)之間的平衡。

OEM 醫(yī)療設(shè)計(jì)的主要要求包括低功耗組件的選擇、將設(shè)備置于低功耗狀態(tài)的能力、用于控制和執(zhí)行高級(jí)計(jì)算的強(qiáng)大 CPU 內(nèi)核以及用于存儲(chǔ)兩個(gè)程序圖像的大型非易失性存儲(chǔ)器和用戶數(shù)據(jù)。這些設(shè)計(jì)還需要大量外圍設(shè)備來(lái)連接各種模擬或數(shù)字系統(tǒng)。

然而，高效的 DC/DC 或 AC/DC 電源和極低功耗的微控制器 (MCU) 以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命是醫(yī)療診斷設(shè)備中正確電源管理的關(guān)鍵要素。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的分辨率和速度也是測(cè)量精度的基礎(chǔ)，它們必須提供高能效和無(wú)線連接。

便攜式設(shè)備的電池管理

與其他類型的電源相比，可充電鋰離子電池具有許多優(yōu)勢(shì)。它們的化學(xué)成分可以使設(shè)備小型化，以適應(yīng)可穿戴醫(yī)療設(shè)備的嚴(yán)格要求。此外，這些電池可提供出色的充電循環(huán)，從而延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。

具有充足可充電電池和低功率電路解決方案的醫(yī)療設(shè)備的使用壽命延長(zhǎng)可防止頻繁的維護(hù)干預(yù)，并在可充電電池出現(xiàn)任何并發(fā)癥的情況下保護(hù)患者免受傷害。

可充電電池的能量管理系統(tǒng)由電池、充電電路和電池管理單元 (BMU) 組成。電池包含電極以存儲(chǔ)能量，從而為醫(yī)療設(shè)備供電。充電管理電路可以評(píng)估電池和醫(yī)療設(shè)備之間的電流和電壓狀況。監(jiān)控電池組內(nèi)每個(gè)電池的電壓對(duì)于確定設(shè)備的一般狀態(tài)至關(guān)重要。超出電壓范圍的電池操作會(huì)顯著降低電池壽命。充電器必須在充電過(guò)程中監(jiān)控鋰離子電池的狀態(tài)，以將其保持在安全工作區(qū)域內(nèi)。

BMU 為電池提供保護(hù)，將其限制為電流和電壓的最大值（和最小值）。對(duì)于植入式醫(yī)療設(shè)備，例如心臟起搏器、心臟復(fù)律除顫器、藥物輸送泵和神經(jīng)刺激器，需要進(jìn)一步考慮消毒、環(huán)境條件和患者受傷的可能性。

需要系統(tǒng)保護(hù)來(lái)降低電池故障的風(fēng)險(xiǎn)。簡(jiǎn)單 BMU 的功能塊分組變化很大，從提供平衡和監(jiān)控并需要 MCU 的簡(jiǎn)單模擬前端到自主運(yùn)行的高度集成解決方案。

電量計(jì)功能塊跟蹤進(jìn)入和離開(kāi)電池的電流。將電流檢測(cè)放大器和具有集成低分辨率 ADC 的 MCU 配對(duì)是測(cè)量該電流的一種方法。高分辨率 ADC 以犧牲速度為代價(jià)提供寬動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于不規(guī)則負(fù)載，逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 被證明是一個(gè)成功的選擇（圖 1 和圖 2）。

圖 1：心電監(jiān)護(hù)儀的典型傳感器電路。（圖片：RECOM）

圖 2：不同類型的電池平衡：(A) 旁路電池平衡 FET 用于慢速充電，(B) 有源平衡用于放電周期。（圖片：瑞薩電子）

集成解決方案的一個(gè)示例是 Analog Devices Inc. 的 ADP5350 BMU，它集成了一個(gè)高性能降壓穩(wěn)壓器、一個(gè)電量計(jì)、一個(gè)工作在 1.5MHz 開(kāi)關(guān)頻率下用于 LED 照明的升壓穩(wěn)壓器和三個(gè) 150mA低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器。該器件具有一個(gè)內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，允許電池在系統(tǒng)的電源側(cè)絕緣（圖 3），從而提供更大的保護(hù)。

圖 3：帶有 ADP5350 電池管理單元的典型應(yīng)用電路。（圖片：模擬設(shè)備公司）

智能電池還可以配備基于 SHA-1 標(biāo)準(zhǔn)的身份驗(yàn)證密鑰，以保護(hù)電池供電的醫(yī)療設(shè)備。此密鑰可能是所有制造商電池的標(biāo)準(zhǔn)或特定于醫(yī)療設(shè)備制造商。特定的自定義身份驗(yàn)證密鑰可以與私人電池標(biāo)簽結(jié)合使用。

Maxim Integrated 的 MAX14663 就是一個(gè)例子，它是一款用于便攜式醫(yī)療設(shè)備（包括血糖儀）的完整能源管理解決方案。該器件集成了開(kāi)關(guān)充電器和Maxim專有的ModelGauge電量計(jì)，可準(zhǔn)確估算可充電鋰離子電池的可用電量。還集成了升壓轉(zhuǎn)換器和 LED 電流吸收器，為 OLED 顯示器供電并提供 LED 背光。

大功率轉(zhuǎn)換器

醫(yī)療保健設(shè)備受到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求和相關(guān)測(cè)試的嚴(yán)格監(jiān)管，以保護(hù)患者和醫(yī)療保健專業(yè)人員。商用交流或直流設(shè)備的隔離程度不足以滿足醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)。許多只有一種保護(hù)措施，而且絕緣能力通常太高，無(wú)法滿足低漏電流的要求。

相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)是“醫(yī)用電氣設(shè)備”IEC 60601-1 及其國(guó)家版本，歐洲的 EN 60601-1 和美國(guó)的 ANSI/AAMI ES60601-1。該標(biāo)準(zhǔn)包括對(duì)醫(yī)療保健中使用的電氣和電子設(shè)備的一系列要求。

根據(jù) IEC 60601-1，醫(yī)療設(shè)備必須包含至少一種保護(hù)手段 (MOP)，以確保即使在故障情況下也能保護(hù)患者和操作員免受電擊風(fēng)險(xiǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)以略微不同的方式對(duì)待操作員和患者，確定了不同的分類：操作員保護(hù)方式 (MOOP) 和患者保護(hù)方式 (MOPP)。因此，醫(yī)療設(shè)備必須有兩個(gè) MOP，這樣如果一個(gè)測(cè)量失敗，第二個(gè)測(cè)量仍然可以提供足夠的保護(hù)。

一種可能的解決方案是使用 2-MOOP 醫(yī)療級(jí) AC/DC 隔離電源以及一個(gè)或多個(gè)醫(yī)療級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器形式的傳感器電子設(shè)備附加電源隔離級(jí)（圖 4）。

圖 4：使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器滿足醫(yī)療應(yīng)用要求。（圖片：RECOM）

包括 Traco 在內(nèi)的各種電源制造商提供各種 AC/DC 和 DC/DC 設(shè)備，滿足醫(yī)療應(yīng)用的所有 MOPP 要求。Traco 的 AC/DC 解決方案范圍從小型 5 W PCB 安裝模塊到提供高達(dá) 450 W 功率水平的設(shè)計(jì)。

所有高效 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都是開(kāi)關(guān)電源，會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射的電磁噪聲。60601-1-2 醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)有噪聲限制，必須在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中盡可能地抑制或外部過(guò)濾。

模塊化 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是一種簡(jiǎn)單的解決方案。RECOM 的 2 瓦 REM2 系列產(chǎn)品就是一個(gè)例子，它在緊湊的 SIP8 封裝中提供 2-MOPP 隔離和 250-VAC 工作電壓。該轉(zhuǎn)換器已根據(jù) IEC/EN/ES 60601-1 進(jìn)行了預(yù)認(rèn)證，使最終的一致性測(cè)試更加容易。

低功耗MCU

微控制器的低功耗是最新一代嵌入式應(yīng)用最重要的特性。需要極低的功耗才能將電池壽命延長(zhǎng)至 15 至 20 年。這需要非常復(fù)雜的節(jié)能策略來(lái)滿足運(yùn)行模式下每 MHz 幾 μA 和睡眠模式下幾 nA 的功耗水平。

低功耗現(xiàn)在是微控制器制造商的強(qiáng)制性目標(biāo)。例如，瑞薩電子推出了基于 32 位 Arm Cortex-M 內(nèi)核的 Renesas Advanced (RA) 系列微控制器，適用于包括醫(yī)療行業(yè)在內(nèi)的各種應(yīng)用。RA 系列通過(guò) PSA 1 級(jí)認(rèn)證，包括 RA2 系列（最高 60 MHz）、RA4 系列（最高 100 MHz）、RA6 系列（最高 200 MHz）和雙核系列 RA8 ，尚未發(fā)布。

結(jié)論

電池壽命對(duì)于便攜式醫(yī)療設(shè)備至關(guān)重要。醫(yī)療 OEM 應(yīng)確保他們選擇的電源完全符合并經(jīng)認(rèn)證符合現(xiàn)行版本的醫(yī)療用品安全標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線連接、高速數(shù)字處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能的融合還需要精確的電池電流測(cè)量。

審核編輯 黃昊宇