什么是容积探头光电容积脉搏波(PPG)远程病人生命体征监护仪的电源子系统——第一部分
本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/202303/444781.htm
您将会学到什么知识：
● 了解如何根据系统要求选择电源配置。
● 审查分立（第一部分）和集成设计（第二部分）的开关模式电源参考电路的实现。
● 理解电源性能测试方法，以在不同器件用例和瞬态加载条件下验证系统。
● 获取检查清单以验证实现。
● 获得故障排除知识以解决实施问题。
本文分两部分，介绍经过预先验证的针对()远程病人生命体征监测应用的电源电路设计，包括具有出色系统信噪比性能的生物传感器。器件可用来测量血容量的变化，从中得出血氧水平和心率等生命体征信息。第一部分说明提供出色性能的分立电源电路设计解决方案，其使用MAX86171光脉冲血氧仪和心率传感器模拟前端(AFE)。第二部分说明用于空间受限应用的集成解决方案。
开关模式电源（也称为SMPS或DC-DC转换器）通常用于可穿戴医疗健康应用，其原因包括尺寸考虑和能效比等。设计人员可以使用这些电源来创建使用寿命更长的电池供电产品。遗憾的是，设计人员仍然需要选择适当的SMPS器件，然后创建合适的电路板布局，以保护系统中生物传感器件的性能。
为了简化和加快开发流程，ADI公司提供经过预先验证（即设计、构建和测试）的电路设计，以保障每个生物传感AFE器件的信噪比(SNR)性能。本文详细介绍这些电源电路，每个示例都附有验证检查清单和故障排除指南，以在有需要的时候帮助电路设计人员。图1显示了许多远程病人监测应用中都会看到的标准电源框图。
设计限值
注释：
二次电池(LiPo)
一次电池（锂纽扣电池）
设计配置
分立设计描述
这种DC-DC转换器设计可调节三输出电源轨，以用于远程病人生命体征监测子系统。该电路提供适当的电压和负载调整率，同时保持低输出噪声水平以维护生物传感SNR性能，电源采用可充电锂聚合物电池或一次锂电池。图2显示了使用分立电源器件的PPG子系统。
关键元件
L1和C1是特别选择的无源元件，对于DC-DC转换器（也称为开关模式电源）的性能至关重要。
使用nanoPower降压转换器的1.8V SMPS电路
以下电路基于MAX38640A nanoPower降压转换器（图3），显示了在远程病人生命体征监测应用中正确操作SMPS器件的典型输入和输出电源电平。如图3所示，可以使用数字万用表(DMM)探测输入和输出端口，以验证电源电压电平。电源输出电平可能因为各种因素而不同，例如：
电池放电。
负载变化（器件模式变更、器件从睡眠模式唤醒等）。
1.8V SMPS电路验证检查清单
以下电路验证检查清单（图4）旨在帮助设计人员对1.8V SMPS电路印刷电路板组件进行各项电气基准检查。该清单也可用作产品测试的模板。
下表可用作检查清单来验证模拟或数字1.8V SMPS电路的操作，该电路使用MAX38640A器件并连接到一个生物传感电路负载。
MAX38640A（1.8V输出）SMPS电路故障排除
如果1.8V SMPS电路的操作出现问题，以下电路故障排除说明（图5）可为设计人员提供帮助。本指南解决实现此类开关模式电源时可能遇到的最常见问题。
MAX38640A SMPS电路故障排除：
第1步 – 检查输入电压：使用内部阻抗为1MΩ或更大的数字万用表(DMM)（例如Fluke 87）测量MAX38640A器件输入端的电压。务必将负极“黑色”引线连接到地，正极“红色”引线连接到器件的输入“IN”引脚。如果输入引脚不易接近，请将引线穿过输入电容CIN。
使用下表诊断和解决相关问题：
零伏/无读数
电池未充电。
电池有缺陷。
断开电池并检查电压。如果读数为0V，请给电池充电。
如果无法充电，请更换电池。
无电池连接（IN或GND线）。
断开电池，测试从电池连接器到器件输入的电导率。
PCB可能有开路。
输入电容对地短路
断开电池，检查电容的连续性。
电容损坏；
PCB可能有短路。
EN引脚接地。
断开电池，测试从EN引脚到地的电导率。
EN引脚需要绑定高电平才能正常工作。
读数 < 3.0V
（LiPo电池）
读数 < 2.0V
（锂离子电池）
电池电量低
电池有缺陷。
断开电池并检查电压。如果读数低于2.8V，请给电池充电。
如果无法充电，请更换电池。
3.0V ≥ 读数 ≤ 4.2V
（LiPo电池）
2.0V ≥ 读数 ≤ 3.4V
（锂离子电池）
无操作。
输入电压正常，继续第2步。
读数 ≥ 4.2V
（LiPo电池）
读数 ≥ 3.4V
（锂离子电池）
电池有缺陷。
更换电池。
第2步 – 检查电感信号波形：使用示波器或数字存储示波器(DSO)探测MAX38640A器件上的LX引脚。如果输入引脚不易接近，请将探头放在电感端电容上。
注释：建议使用最小带宽为200MHz的示波器和探头。
如果电路在轻负载（即小于50mA）下运行，则波形应如图6所示。
如果电路在重负载下运行，则波形应为方波，上升沿和下降沿的振铃最小，如图7所示。
方波幅度应约等于输入电池电压。方波底电压应在地以下约200mV至300mV（例如-250mV）。占空比与输出电压成正比。因此，当产生1.8V的输出电压时，3.6V的输入电池电压将具有大约50%的占空比。图8显示了占空比和输出电压的关系。
与理想方波的偏差可用于有效诊断和解决许多问题。
使用下表诊断和解决相关问题：
幅度不正确
电感开路。
IN引脚开路
EN开路或接地
断开电池并检查与DMM的所有连接。
如果需要，修理PCB。
占空比不正确（不与输出电压相关）
RSEL的值不正确（768KΩ）。外部电阻损坏。
断开电池，使用DMM（R测量）检查RSEL
更换为正确阻值的电阻。
RSEL引脚开路(Vo = 2.5V)。
检查2.5V的输出。
断开电池，测试从电阻到RSEL引脚的电导率。
PCB可能有开路。
RSEL引脚对地短路(Vo=0.8V)
检查0.8V的输出。
断开电池并测量电容两端的电阻。
PCB可能有短路。
波形失真
圆形上升沿
电感连接不良
重新连接电感。 更换电感。
连接不良会导致线路电阻较高
第3A步 – 检查输出直流电压：使用内部阻抗为1MΩ或更大的DMM（例如Fluke 87）测量MAX38640A器件输出端的电压。务必将负极“黑色”引线接地，正极“红色”引线连接到器件的输出“OUT”引脚。如果输出引脚不易接近，请将引线穿过输出电容COUT。
使用下表诊断和解决相关问题：
零伏/无读数
从SMPS到COUT无连接
断开电池，测试从输出到COUT的电导率
PCB可能有开路。
输出电容对地短路
断开电池，检查电容的连续性。
PCB可能有短路。
读数过低
(< 1.71 VDC)
电感值错误
电感饱和
RSEL值错误
断开电池，检查电感和/或电阻值。
1.71V ≥ 读数 ≤ 1.89
无操作。
可工作。
读数过高
(> 1.89 VDC)
RSEL值错误
断开电池并检查RSEL值。
第3B步 – 检查输出交流电压：使用示波器或DSO，通过探测MAX38640A器件上的OUT引脚来测量输出纹波(AC)。为了正确测量输出并最大限度地减少射频拾取，建议使用10x猪尾引线探头。也可以使用差分有源探头以进一步降低环境噪声。
注释：建议使用最小带宽为200MHz的示波器和探头。
如果电路工作正常，波形应该是1.8VDC输出，上面叠加一个小纹波波形。图9显示了纹波波形。
使用下表诊断和解决相关问题：
纹波幅度过高(> 20mVpp)
电容值错误；电容有缺陷。
断开电池并检查与DMM的所有连接；测量电容值。
纹波频率与VLX 方波频率不匹配
轻负载
检查负载
宽带噪声过高
负载过大；环境噪声。
检查负载和环境噪声。
在输出端使用猪尾引线10x探头或有源差分探头以降低环境噪声。
跃迁尖峰过高(> 30mVp)
负载电感；
输入电流不足。
检查线路电感；用示波器检查输入电流。
使用低噪声降压-升压转换器的5.0V SMPS电路
以下电路基于MAX20343H低噪声降压-升压转换器，显示了在远程病人生命体征监测应用中正确操作SMPS器件的典型输入和输出电源电平。如图10所示，可以使用DMM探测输入和输出端口，以验证电源电压电平。电源输出电平可能因为各种因素而不同，例如：
电池放电。
负载变化（器件模式变更、器件从睡眠模式唤醒等）。
5.0V SMPS电路验证检查清单
以下电路验证检查清单（图10）旨在帮助设计人员对5.0V SMPS电路印刷电路板组件进行各项电气基准检查。该清单也可用作产品测试的模板。
下表可用作检查清单来验证模拟5.0V SMPS电路的操作，该电路使用MAX20343H器件并连接到一个生物传感电路负载。
1
检查输入直流电源
LP401230 LiPo电池
CR2032锂纽扣电池
测量电池两端的电压
读数范围：
3.0V – 4.2V
2.0V – 3.4
故障排除说明
2
检查输入直流电源
LP401230 LiPo电池
CR2032锂纽扣电池
测量CIN两端的电压
读数范围：
3.0V – 4.2V
2.0V – 3.4
3
检查Vout直流电平
测量COUT两端的电压
读数范围：
4.75V – 5.25V
4
检查Vout直流电平
测量负载两端的电压
读数范围：
4.75V – 5.25V
5
检查输出噪声电平
使用猪尾引线10x单端探头或差分有源探头
纹波噪声电平应 < 20mVpp
5.0V SMPS电路故障排除指南
如果5.0V SMPS电路的操作出现问题，以下电路故障排除说明（图11）可为设计人员提供帮助。本指南解决实现此类开关模式电源时可能遇到的最常见问题。
MAX20343H SMPS电路故障排除：
第1步 – 检查输入电压：使用内部阻抗为1MΩ或更大的DMM（例如Fluke 87）测量MAX20343H器件输入端的电压。务必将负极“黑色”引线连接到地，正极“红色”引线连接到器件的输入“IN”引脚。如果输入引脚不易接近，请将引线穿过输入电容CIN。
使用下表诊断和解决相关问题：
零伏/无读数
电池未充电。
电池有缺陷。
断开电池并检查电压。如果读数为0V，请给电池充电。
如果无法充电，请更换电池。
无电池连接（IN或GND线）
断开电池，测试从电池连接器到器件输入的电导率。
PCB可能有开路。
输入电容对地短路
断开电池，检查电容的连续性。
PCB可能有短路。
EN引脚(SDA/EN)接地
断开电池，测试从电池连接器到器件输入的电导率。
EN引脚需要绑定高电平才能正常工作。
读数 < 2.8V
电池电量低
电池有缺陷
断开电池并检查电压。如果读数低于2.8V，请给电池充电。
如果无法充电，请更换电池。
2.8V ≥ 读数 ≤ 4.2V
无操作。
输入电压正常。继续第2步。
读数 ≥ 4.2V
电池有缺陷
更换电池。
第2步 – 检查电感信号波形：使用示波器或DSO探测MAX20343H器件上的HVLX引脚。如果输入引脚不易接近，请将探头放在电感端电容上。
注释：建议使用最小带宽为200MHz的示波器和探头。
如果电路正常工作，则波形应为脉冲波，上升沿和下降沿的振铃最小，如图12所示。
500ns脉冲波幅值应约等于输入电池电压。脉冲波底电压应在地电位的100mV以内。脉冲波的输出频率和占空比与负载电流成正比。图13和14显示了不同负载条件下的输出波形和信号频率。
与理想方波的偏差可用于有效诊断和解决许多问题。
使用下表诊断和解决相关问题：
幅度不正确
电感开路。
IN引脚开路
EN开路或接地
断开电池并检查与DMM的所有连接。
如果需要，修理PCB。
占空比不正确（不与输出电压相关）
RSEL的值不正确（6.65KΩ）。外部电阻损坏。
断开电池，使用DMM（R测量）检查RSEL
更换为正确阻值的电阻。
RSEL引脚开路(Vo=3.3V)
检查3.3V的输出
断开电池，测试从电阻到RSEL引脚的电导率。
PCB可能有开路。
RSEL引脚对地短路(Vo=5.5V)
检查5.5V的输出
断开电池并测量电容两端的电阻。
PCB可能有短路。
波形失真
圆形上升沿
电感连接不良。
重新连接电感。更换电感。
连接不良会导致线路电阻较高
第3A步 – 检查输出直流电压：使用内部阻抗为1MΩ或更大的DMM（例如Fluke 87）测量MAX20343H器件输出端的电压。务必将负极“黑色”引线接地，正极“红色”引线连接到器件的输出“OUT”引脚。如果输出引脚不易接近，请将引线穿过输出电容COUT。
使用下表诊断和解决相关问题：
零伏/无读数
从SMPS到COUT无连接
断开电池，测试从输出到COUT的电导率
PCB可能有开路。
输出电容对地短路
断开电池，检查电容的连续性。
PCB可能有短路。
读数过低
(< 4.75 VDC)
电感值错误
电感饱和
RSEL值错误
断开电池，检查电感和/或电阻值。
4.75V ≥ 读数 ≤ 5.25V
无操作。
可工作。
读数过高
(> 5.25 VDC)
RSEL值错误
断开电池并检查RSEL值。
第3B步 – 检查输出交流电压：使用示波器或DSO，通过探测MAX20343H器件上的OUT引脚来测量输出纹波(AC)。为了正确测量输出并最大限度地减少射频拾取，建议使用10x猪尾引线探头。也可以使用差分有源探头以进一步降低环境噪声。
注释：建议使用最小带宽为200MHz的示波器和探头。
如果电路工作正常，波形应该是1.8VDC输出，上面叠加一个小纹波波形。图15显示了纹波波形。
使用下表诊断和解决相关问题：
纹波幅度过高
电容值错误；电容有缺陷
断开电池并检查与DMM的所有连接；测量电容值
纹波频率与VHVLX 脉冲波频率不匹配
轻负载
检查负载
宽带噪声过高
负载过大；环境噪声。
检查负载和环境噪声。
在输出端使用猪尾引线10x探头或有源差分探头以降低环境噪声。
跃迁尖峰过高
负载电感；
输入电流不足
检查线路电感；用示波器检查输入电流。
结语
本文分为两部分，以上内容是第一部分，介绍了配合基于MAX86171的PPG使用的预验证分立电源电路。这些电源电路也可以配合基于MAX86141的PPG器件使用。
本文第二部分介绍配合基于MAX86171和基于MAX86141的PPG使用的预验证集成电源电路。
欲了解分立和集成电源实现方案的相应验证测试数据，请访问Maxim Integrated（现为ADI公司一部分）网站：
“适用于的”。
参考文献：
用于生命体征监护仪的
设计高精度、可穿戴的光学心率监护仪
关于作者
Felipe Neira
应用技术团队高级成员 - 培训和技术服务
Maxim Integrated（现为ADI公司一部分）
作者简介：Felipe Neira是Maxim Integrated（现为ADI公司一部分）的应用工程师。他喜欢钻研便携式和可穿戴解决方案，侧重于健康传感器的电池电源管理。此外，他为ADI公司的所有广泛市场产品提供技术支持。Felipe毕业于加利福尼亚大学圣克鲁斯分校，获电气工程学士学位(BSEE)，毕业后不久即加入本公司。
Marc Smith
应用技术团队主要成员
Maxim Integrated（现为ADI公司一部分）
作者简介：Marc Smith是Maxim Integrated（现为ADI公司一部分）的健康与医疗生物传感应用技术团队的成员。他是MEMS和传感器技术领域的行业专家，在针对多个市场的传感器产品和电子开发方面拥有超过30年的经验。Marc拥有12项专利，并撰写了十多份出版物。他获得了加利福尼亚大学伯克利分校的电气工程学士学位(BSEE)和加利福尼亚圣玛丽学院的工商管理硕士学位(MBA)。