作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約作家

醫療設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用中的能源的集成半導體解決方案，從大功率成像系統到便攜式和植入式設備。無論應用如何，目標都是最大限度地提高能源效率，從而優化靜態和活動能量狀態之間的平衡。

OEM 醫療設計的主要要求包括低功耗組件的選擇、將設備置于低功耗狀態的能力、用于控制和執行高級計算的強大 CPU 內核以及用于存儲兩個程序圖像的大型非易失性存儲器和用戶數據。這些設計還需要大量外圍設備來連接各種模擬或數字系統。

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

便攜式設備的電池管理

與其他類型的電源相比，可充電鋰離子電池具有許多優勢。它們的化學成分可以使設備小型化，以適應可穿戴醫療設備的嚴格要求。此外，這些電池可提供出色的充電循環，從而延長整個系統的使用壽命。

具有充足可充電電池和低功率電路解決方案的醫療設備的使用壽命延長可防止頻繁的維護干預，并在可充電電池出現任何并發癥的情況下保護患者免受傷害。

可充電電池的能量管理系統由電池、充電電路和電池管理單元 (BMU) 組成。電池包含電極以存儲能量，從而為醫療設備供電。充電管理電路可以評估電池和醫療設備之間的電流和電壓狀況。監控電池組內每個電池的電壓對于確定設備的一般狀態至關重要。超出電壓范圍的電池操作會顯著降低電池壽命。充電器必須在充電過程中監控鋰離子電池的狀態，以將其保持在安全工作區域內。

BMU 為電池提供保護，將其限制為電流和電壓的最大值（和最小值）。對于植入式醫療設備，例如心臟起搏器、心臟復律除顫器、藥物輸送泵和神經刺激器，需要進一步考慮消毒、環境條件和患者受傷的可能性。

需要系統保護來降低電池故障的風險。簡單 BMU 的功能塊分組變化很大，從提供平衡和監控并需要 MCU 的簡單模擬前端到自主運行的高度集成解決方案。

電量計功能塊跟蹤進入和離開電池的電流。將電流檢測放大器和具有集成低分辨率 ADC 的 MCU 配對是測量該電流的一種方法。高分辨率 ADC 以犧牲速度為代價提供寬動態范圍。對于不規則負載，逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 被證明是一個成功的選擇（圖 1 和圖 2）。

圖 1：心電監護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示例是 Analog Devices Inc. 的 ADP5350 BMU，它集成了一個高性能降壓穩壓器、一個電量計、一個工作在 1.5MHz 開關頻率下用于 LED 照明的升壓穩壓器和三個 150mA低壓差 (LDO) 穩壓器。該器件具有一個內部場效應晶體管 (FET)，允許電池在系統的電源側絕緣（圖 3），從而提供更大的保護。

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

智能電池還可以配備基于 SHA-1 標準的身份驗證密鑰，以保護電池供電的醫療設備。此密鑰可能是所有制造商電池的標準或特定于醫療設備制造商。特定的自定義身份驗證密鑰可以與私人電池標簽結合使用。

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

大功率轉換器

醫療保健設備受到行業標準要求和相關測試的嚴格監管，以保護患者和醫療保健專業人員。商用交流或直流設備的隔離程度不足以滿足醫療標準。許多只有一種保護措施，而且絕緣能力通常太高，無法滿足低漏電流的要求。

相關的安全標準是“醫用電氣設備”IEC 60601-1 及其國家版本，歐洲的 EN 60601-1 和美國的 ANSI/AAMI ES60601-1。該標準包括對醫療保健中使用的電氣和電子設備的一系列要求。

根據 IEC 60601-1，醫療設備必須包含至少一種保護手段 (MOP)，以確保即使在故障情況下也能保護患者和操作員免受電擊風險。該標準以略微不同的方式對待操作員和患者，確定了不同的分類：操作員保護方式 (MOOP) 和患者保護方式 (MOPP)。因此，醫療設備必須有兩個 MOP，這樣如果一個測量失敗，第二個測量仍然可以提供足夠的保護。

一種可能的解決方案是使用 2-MOOP 醫療級 AC/DC 隔離電源以及一個或多個醫療級 DC/DC 轉換器形式的傳感器電子設備附加電源隔離級（圖 4）。

圖 4：使用 DC/DC 轉換器滿足醫療應用要求。（圖片：RECOM）

包括 Traco 在內的各種電源制造商提供各種 AC/DC 和 DC/DC 設備，滿足醫療應用的所有 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 450 W 功率水平的設計。

所有高效 DC/DC 轉換器都是開關電源，會產生傳導和輻射的電磁噪聲。60601-1-2 醫療標準有噪聲限制，必須在 DC/DC 轉換器中盡可能地抑制或外部過濾。

模塊化 DC/DC 轉換器是一種簡單的解決方案。RECOM 的 2 瓦 REM2 系列產品就是一個例子，它在緊湊的 SIP8 封裝中提供 2-MOPP 隔離和 250-VAC 工作電壓。該轉換器已根據 IEC/EN/ES 60601-1 進行了預認證，使最終的一致性測試更加容易。

低功耗MCU

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

低功耗現在是微控制器制造商的強制性目標。例如，瑞薩電子推出了基于 32 位 Arm Cortex-M 內核的 Renesas Advanced (RA) 系列微控制器，適用于包括醫療行業在內的各種應用。RA 系列通過 PSA 1 級認證，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 ，尚未發布。

結論

電池壽命對于便攜式醫療設備至關重要。醫療 OEM 應確保他們選擇的電源完全符合并經認證符合現行版本的醫療用品安全標準。無線連接、高速數字處理和實時監控等功能的融合還需要精確的電池電流測量。

審核編輯 黃昊宇