與許多其他應用一樣，低功耗精密元件推動了便攜式和無線醫療儀器的快速增長。然而，與許多其他應用不同，這種類型的醫療產品通常在可靠性、運行時間和穩健性方面具有更高的標準。這種負擔大部分落在電力系統及其組件上。醫療產品必須正常運行并在各種電源之間無縫切換，例如交流電源插座、備用電池，甚至是收集的環境能源。此外，必須竭盡全力防止和容忍故障，最大限度地延長電池供電時的運行時間，并確保在存在有效電源時正常系統運行是可靠的。

當前推動便攜式和無線醫療儀器增長的主要趨勢之一是患者護理。具體來說，這是在患者自己家中增加使用遠程監控系統。這種趨勢的原因純粹是經濟性質的——將病人留在醫院的相關成本太高了。因此，這些便攜式電子監控系統中的許多必須包含射頻發射器，以便從患者那里收集的任何數據都可以直接發送回醫院內的監控系統，以供主管醫師稍后審查和分析。

鑒于上述情況，可以合理地假設為患者提供適當的醫療器械以供家庭使用的成本被將其留在醫院進行觀察的成本所抵消。盡管如此，患者使用的設備必須可靠且萬無一失，這一點至關重要。因此，這些產品的制造商和設計人員必須確保它們可以從多個電源無縫運行，并在從患者收集的數據的無線數據傳輸中具有高可靠性。這要求設計人員確保電源管理架構穩健、靈活、緊湊且高效。

電源 IC 解決方案醫療電子系統中有許多應用需要持續供電，即使在主電源中斷的情況下也是如此。一個關鍵要求是低靜態電流以延長電池壽命。因此，功率 IC 制造商自 2010 年以來一直在生產待機靜態電流小于 30 μA 的開關穩壓器。事實上，凌力爾特公司最近推出的一些產品已將這一數字降至僅 2.5 μA。因此，這些產品非常適合在電池備份醫療系統中采用。

盡管開關穩壓器比線性穩壓器產生更多的噪聲，但它們的效率要高得多。噪聲和電磁干擾 (EMI) 水平已被證明在許多敏感應用中是可控的，只要切換器的行為可預測。如果開關穩壓器在正常模式下以恒定頻率開關，并且開關邊沿干凈且可預測，沒有過沖或高頻振鈴，則 EMI 最小化。小封裝尺寸和高工作頻率可以提供緊湊的小布局，從而最大限度地減少 EMI 輻射。此外，如果穩壓器可以與低等效串聯電阻 (ESR) 陶瓷電容器一起使用，則可以最大限度地減少輸入和輸出電壓紋波，這是系統中的額外噪聲源。

隨著許多功能豐富的患者監測醫療設備中電源軌數量的增加，工作電壓已經降低。盡管如此，其中許多系統仍需要從 1.x V 到 8.x V 的寬電壓范圍來為電機、低功耗傳感器、存儲器、微控制器內核、I/O 和邏輯電路供電。

傳統上，這些電壓軌由降壓開關穩壓器或低壓差穩壓器供電。但是，如果主電源出現故障，這些類型的 IC 并未針對在系統中還包含備用電池的配置進行優化。因此，當使用降壓-升壓轉換器時（它可以升壓或降壓），它將允許電池的整個工作范圍得到利用。這增加了工作裕度并延長了電池的運行時間，因為電池的使用壽命更長，特別是當它接近其放電曲線的下限時。

相應地，便攜式醫療儀器中使用的 DC/DC 轉換器解決方案（也可能包含一個原電池）應具有以下屬性：

具有寬輸入電壓范圍的降壓-升壓 DC/DC 架構，可通過各種電池供電電源及其相關電壓范圍調節VOUT

超低靜態電流，無論是在工作模式下還是關斷狀態下，都可以延長電池運行時間

有效地為系統軌供電的能力

用于衰減浪涌電流的電流限制，從而保護電池

體積小、重量輕、外形小巧的解決方案

先進的封裝可提高熱性能和空間效率

因此，任何滿足這些要求的單片降壓-升壓電源 IC 都必須具有包括同步操作以實現高效轉換的特性，并且能夠在降壓模式下從各種輸入源提供高達 5A 的連續輸出電流，包括單節或多節電池、不受管制的墻壁適配器、太陽能電池板和超級電容器。此外，它必須具有 2.5 V 至 18 V 的輸入電壓范圍才能處理此輸入源陣列。

從輸出電壓的角度來看，降壓-升壓轉換器必須能夠調節高于、低于或等于輸出的輸入，并且可以在 0.8 V 至 18 V 范圍內進行編程。突發模式操作是另一個需要的特性，因為它提高輕負載效率，同時延長電池運行時間。具有四開關 PWM 降壓-升壓拓撲的轉換器通常可在所有工作模式下提供低噪聲、無抖動切換，使其適用于對電源噪聲敏感的射頻和精密模擬應用。該器件還應包括可編程最大功率點控制 (MPPC) 功能，確保從具有更高輸出阻抗的電源（包括光伏電池）提供最大功率。

在 Analog Devices 的 LTC3119 中可以找到這些產品屬性的良好復制品。這款單片降壓-升壓轉換器包括四個內部低 RDSONN 溝道 MOSFET，可提供高達 95% 的效率。可以禁用突發模式操作，提供低噪聲連續切換。使用內部 PLL 進行外部頻率編程或同步可以在 400 kHz 至 2 MHz 的寬開關頻率范圍內工作，從而可以在轉換效率和解決方案尺寸之間進行權衡。

其他特性包括短路保護、熱過載保護、小于 3 μA 的關斷電流和電源良好指示器。該器件結合了纖巧的外部元件、寬工作電壓范圍、緊湊的封裝和低靜態電流，使其非常適合射頻電源、大電流脈沖負載應用、系統備用電源，甚至鉛酸電池12V 轉換系統。圖 1：LTC3119 原理圖展示了高水平的集成度和性能。

結論為設計各種電池供電和/或電池后備醫療系統提供了巨大的機會。同時，系統設計人員在選擇滿足關鍵設計目標的正確電源轉換解決方案時面臨著艱巨的挑戰，這些目標包括輸入到輸出電壓限制、功率水平和易于設計，同時又不影響效率和運行時間。滿足排放規范和解決方案尺寸。

設計一個既能滿足系統目標又不影響性能的解決方案可能是一項艱巨的任務。幸運的是，來自眾多電源 IC 供應商的降壓-升壓轉換器解決方案越來越多，這些解決方案簡化了設計工作，提供了一流的功能，并且由于效率高而能夠最大限度地延長電池充電周期之間的運行時間手術。

審核編輯 黃昊宇