作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約作家

醫(yī)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(yōu)化靜態(tài)和活動能量狀態(tài)之間的平衡。

OEM 醫(yī)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(tài)的能力、用于控制和執(zhí)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(yī)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(yōu)勢。它們的化學成分可以使設備小型化，以適應可穿戴醫(yī)療設備的嚴格要求。此外，這些電池可提供出色的充電循環(huán)，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(yī)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(fā)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(yī)療設備供電。充電管理電路可以評估電池和醫(yī)療設備之間的電流和電壓狀況。監(jiān)控電池組內每個電池的電壓對于確定設備的一般狀態(tài)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(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。

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(yī)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(huán)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(jiān)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(tài)范圍。對于不規(guī)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(jiān)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(wěn)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(wěn)壓器和三個 150mA低壓差 (LDO) 穩(wěn)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(yī)療設備。此密鑰可能是所有制造商電池的標準或特定于醫(yī)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(yī)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(yī)療保健設備受到行業(yè)標準要求和相關測試的嚴格監(jiān)管，以保護患者和醫(yī)療保健專業(yè)人員。商用交流或直流設備的隔離程度不足以滿足醫(yī)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(yī)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(yī)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(yī)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(yī)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(yī)療級 AC/DC 隔離電源以及一個或多個醫(yī)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(yī)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(yī)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(yī)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(jié)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(yī)療行業(yè)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(fā)布。

結論

電池壽命對于便攜式醫(yī)療設備至關重要。醫(yī)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(yī)療用品安全標準。無線連接、高速數字處理和實時監(jiān)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