光電容積脈搏波(PPG)遠程病人生命體征監護儀的電源子系統——第二部分
加入技術交流群
您將會學到什么知識：
● 了解如何根據PPG系統要求選擇電源配置。
● 審查分立（第一部分）和集成設計（第二部分）的開關模式電源參考電路的實現。
● 理解電源性能測試方法，以在不同器件用例和瞬態加載條件下驗證系統。
● 獲取檢查清單以驗證實現。
● 獲得故障排除知識以解決實施問題。
本文分兩部分，介紹經過預先驗證的針對光電容積脈搏波(PPG)遠程病人生命體征監測應用的電源電路設計，包括具有出色系統信噪比性能的生物傳感器。PPG器件可用來測量血容量的變化，從中得出血氧水平和心率等生命體征信息。第一部分說明了提供出色性能的分立電源電路設計解決方案，其使用MAX86171光脈沖血氧儀和心率傳感器模擬前端(AFE)。第二部分將說明用于空間受限應用的集成解決方案，其使用MAX86141光學脈搏血氧儀和心率傳感器AFE（也可配合MAX86171使用）。
如本文第一部分所述，為了簡化和加快開發流程，ADI公司提供經過預先驗證（即設計、構建和測試）的電源子系統電路設計，以保障每個生物傳感AFE器件的信噪比(SNR)性能。我們在第一部分中提供了分立方案，現在我們將提供集成解決方案。
重申一下，下面詳細介紹這些電源電路，每個示例都附有驗證檢查清單和故障排除指南，以在有需要的時候幫助電路設計人員。圖1顯示了許多遠程病人監測應用中都會看到的標準電源框圖。
設計限值：
輸入 | 輸出（VDIG、VANA、VLED） | 噪聲，RTO | ||
VIMIN | VIMAX | VOMIN | VOMAX | VPP(max) |
3.0V1 | 4.2V1 | 1.6V | 2.0V | 30mVPP |
2.0V2 | 3.0V2 | 1.6V
| 2.0V
| 30mVPP |
4.7V | 5.3V | 20mVPP | ||
注釋：
二次電池(LiPo)
一次電池（鋰紐扣電池）
設計配置
設計配置 | 電池實現 | 電路板區域布局注意事項 |
分立 | 一次（紐扣電池） | 實現單獨的分立電路。 |
集成 |
二次(Li & LiPo) | 使用單個集成電路以使電路板面積要求最小化。 僅支持二次電池。 |
集成設計描述
這種DC-DC電源管理集成電路(PMIC)設計可用來調節三輸出電源軌，以用于遠程病人生命體征監測子系統。該IC具有單電感多輸出(SIMO)降壓-升壓調節器，通過單個電感提供電源軌，以最大限度地減小總體解決方案尺寸，同時保持高效率。
此電路提供適當的電壓和負載調整率，同時保持低輸出噪聲水平，以維護由可充電鋰聚合物電池供電的生物傳感器信噪比(SNR)性能。圖2顯示了使用集成電源器件的PPG子系統。
關鍵元件：
標識 | 元件 | 描述 |
U1 | DC-DC轉換器 | 電源轉換器件(MAX77642) |
L1 | 2.2μH電感 | 低等效串聯電阻(ESR)電感（能量）儲存元件1 |
C1 | 22μF電容 | 低ESR電容（能量）儲存元件1 |
L1和C1是特別選擇的無源元件，對于DC-DC轉換器（也稱為開關模式電源）的性能至關重要。
使用PMIC的1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路
以下電路基于MAX77642 PMIC，顯示了在遠程病人生命體征監測應用中正確操作SMPS器件的典型輸入和輸出電源電平。如圖3所示，可以使用數字萬用表(DMM)探測輸入和輸出端口，以驗證電源電壓電平。電源輸出電平可能因為各種因素而不同，例如：
電池放電。
負載變化（器件模式變更、器件從睡眠模式喚醒等）。
1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路驗證檢查清單
圖4顯示了用于遠程病人生命體征監測的集成MAX77642 PMIC。
集成1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路驗證檢查清單
下表可用作檢查清單來驗證1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路的操作，該電路使用MAX77642器件并連接到一個生物傳感電路負載。
步驟 | 操作 | 程序步驟 | 測量 | 需要幫助？ |
1 | 檢查輸入直流電源
LP401230 LiPo電池 | 測量電池兩端的電壓 | 讀數范圍：
3.0V – 4.2V | 故障排除說明 |
2 | 檢查輸入直流電源
LP401230 LiPo電池 | 測量CIN兩端的電壓 | 讀數范圍：
3.0V – 4.2V | |
3 | 檢查VOUT直流電平 | 測量以GND為基準的SBB1輸出直流電壓 | 模擬1.8V讀數范圍：1.71V – 1.89V | |
4 | 測量以GND為基準的SBB0輸出直流電壓 | 數字1.8V讀數范圍：1.71V – 1.89V | ||
5 | 測量以GND為基準的SBB2輸出直流電壓 | |||
6 | 檢查模擬1.8V輸出噪聲電平 | 在C5上使用豬尾引線10x單端探頭或差分有源探頭
| 紋波噪聲電平應 < 20mVPP | |
開關尖峰應 < 30mVP | ||||
7 | 檢查數字1.8V輸出噪聲電平 | 在C4上使用豬尾引線10x單端探頭或差分有源探頭
| 紋波噪聲電平應 < 20mVPP | |
開關尖峰應 < 30mVP | ||||
8 | 檢查模擬5.0V輸出噪聲電平 | 在C6上使用豬尾引線10x單端探頭或差分有源探頭
| 紋波噪聲電平應 < 20mVPP | |
開關尖峰應 < 30mVP |
1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路故障排除指南
如果1.8V/1.8V/5.0V SMPS電路的操作出現問題，以下電路故障排除說明（圖5）可為設計人員提供幫助。本指南解決實現此類集成開關模式電源時可能遇到的最常見問題。
MAX77642 SMPS電路故障排除：
第1步 – 檢查輸入電壓：使用內部阻抗為1MΩ或更大的數字萬用表(DMM)（例如Fluke 87）測量MAX77642器件輸入端的電壓。務必將負極“黑色”引線連接到地，正極“紅色”引線連接到器件的輸入“IN”引腳。如果輸入引腳不易接近，請將引線穿過輸入電容CIN。
使用下表診斷和解決相關問題：
輸入電壓讀數 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
零伏/無讀數 | 電池未充電。 電池有缺陷。
| 斷開電池并檢查電壓。如果讀數為0V，請給電池充電。 | 如果無法充電，請更換電池。 |
無電池連接 （IN或GND線） | 斷開電池，測試從電池連接器到器件輸入的電導率。 | PCB可能有開路。 | |
輸入電容對地短路 | 斷開電池，檢查電容的連續性。 | PCB可能有短路。 | |
讀數 < 2.8V | 電池電量低 電池有缺陷 | 斷開電池并檢查電壓。如果讀數低于2.8V，請給電池充電。 | 如果無法充電，請更換電池。 |
2.8V ≥ 讀數 ≤ 4.2V | 無操作。 | 可工作。 | |
讀數 ≥ 4.2V | 電池有缺陷 | 更換電池。 |
第2步 – 檢查電感信號波形：使用示波器或數字存儲示波器(DSO)探測MAX77642器件上的LXA引腳。如果輸入引腳不易接近，請將探頭放在(LXA)電感端電容上。
注釋：建議使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。
如果電路正常工作，則波形應為一系列脈沖波，上升沿和下降沿的振鈴最小，如圖6所示。
脈沖波形展示了共享單個電感的三個開關模式電源（也稱為SIMO電源）的時分復用。
與理想脈沖波系列的偏差可用于有效診斷和解決許多問題。
使用下表診斷和解決相關問題：
輸入波形 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
幅度不正確 | IN pin open IN引腳開路
| 斷開電池并檢查與DMM的所有連接。 | 如果需要，修理PCB。 |
占空比不正確（缺失脈沖） | |||
SSB0脈沖缺失 | EN0對GND短路 | 檢查0V的SSB0輸出。 斷開電池，測試從EN0引腳到GND的電導率。 | PCB可能有短路。 |
SSB1脈沖缺失 | EN1對GND短路 | 檢查0V的SSB1輸出。 斷開電池，測試從EN0引腳到GND的電導率。 | PCB可能有短路。 |
SSB2脈沖缺失 | EN2對GND短路 | 檢查0V的SSB2輸出。 斷開電池，測試從EN0引腳到GND的電導率。 | PCB可能有短路。 |
占空比不正確（脈沖寬度不正確） | 輸出電壓選擇電阻；器件有缺陷。 | 識別與不正確PW相關的SSBx通道，按照以下相關步驟操作。 | |
SSB0 PW不正確 | RSET_SSB0對GND短路(SSB0 VO=0.5V) | 斷開電池并測試40.2KΩ接GND電阻。 | 電阻損壞/錯誤。PCB可能有短路。 |
RSET_SSB0引腳開路(SSB0 VO=5.2V) | 斷開電池，測試從電阻到RSET_SSB0引腳的電導率。 | PCB可能有開路。焊接不良。 | |
RSET_SSB0電阻值錯誤 | 斷開電池并測試40.2KΩ接GND電阻。 | 安裝的電阻損壞/不正確。 | |
SSB1 PW不正確 | RSET_SSB1對GND短路(SSB1 VO=0.5V) | 斷開電池并測試28KΩ接GND電阻。 | 電阻損壞（短路）。PCB可能有短路。 |
RSET_SSB0引腳開路(SSB1 VO=5.2V) | 斷開電池，測試從電阻到RSET_SSB1引腳的電導率。 | PCB可能有開路。焊接不良。 | |
RSET_SSB0電阻值錯誤 | 斷開電池并測試28KΩ接GND電阻。 | 安裝的電阻損壞/不正確。 | |
SSB2脈沖缺失 | RSET_SSB2對GND短路(SSB2 VO=0.5V) | 斷開電池并測試536KΩ接GND電阻。 | 電阻損壞（短路）。PCB可能有短路。 |
RSET_SSB2引腳開路(SSB2 VO=5.5V) | 斷開電池，測試從電阻到RSET_SSB2引腳的電導率。 | PCB可能有開路。焊接不良。 | |
RSET_SSB2電阻值錯誤 | 斷開電池并測試536KΩ接GND電阻。 | 安裝的電阻損壞/不正確。 | |
波形失真 圓形上升沿 | 電感連接不良 | 重新連接電感。更換電感。 | 連接不良會導致線路電阻較高。 |
第3A步 – 檢查輸出直流電壓：使用內部阻抗為1MΩ或更大的DMM（例如Fluke 87）測量MAX77642器件三個輸出端的電壓。務必將負極“黑色”引線接地，正極“紅色”引線連接到器件的相關SSBx通道輸出“OUT”引腳。如果輸出引腳不易接近，請將引線穿過相關輸出電容COUT。
使用下表診斷和解決相關SSB0 (1.8VDC)輸出問題：
輸出電壓讀數 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
SSB0：零伏/無讀數 | 從SSB0到COUT無連接。 | 斷開電池，測試從輸出到COUT的電導率。 | PCB可能有開路。 |
輸出電容對地短路。 | 斷開電池，檢查電容的連續性。 | PCB可能有短路。 | |
SSB0：讀數過低 (< 1.71 VDC) | 電感值錯誤 電感飽和 RSET_SSB0值錯誤。 | 斷開電池，檢查電感和/或電阻值。 | |
1.71V ≥ 讀數 ≤ 1.89V | 無操作。 | 可工作。 | |
讀數過高 (> 1.89 VDC) | RSEL 值錯誤。 | 斷開電池并檢查RSEL值。 |
使用下表診斷和解決相關SSB1 (1.8VDC)輸出問題：
輸出電壓讀數 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
SSB1：零伏/無讀數 | 從SSB0到COUT無連接。 | 斷開電池，測試從輸出到COUT的電導率。 | PCB可能有開路。 |
輸出電容對地短路。 | 斷開電池，檢查電容的連續性。 | PCB可能有短路。 | |
SSB1：讀數過低 (< 1.71 VDC) | 電感值錯誤 電感飽和 RSET_SSB1值錯誤。 | 斷開電池，檢查電感和/或電阻值。 | |
1.71V ≥ 讀數 ≤ 1.89V | 無操作。 | 可工作。 | |
SSB1讀數過高 (> 1.89 VDC) | RSEL 值錯誤。 | 斷開電池并檢查RSEL值。 |
使用下表診斷和解決相關SSB2 (5.0VDC)輸出問題：
輸出電壓讀數 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
SSB2：零伏/無讀數 | 從SSB0到COUT無連接。 | 斷開電池，測試從輸出到COUT的電導率。 | PCB可能有開路。 |
輸出電容對地短路 | 斷開電池，檢查電容的連續性。 | PCB可能有短路。 | |
SSB2：讀數過低 (< 4.75 VDC) | 電感值錯誤 電感飽和 RSET_SSB2值錯誤。 | 斷開電池，檢查電感和/或電阻值。 | |
4.75V ≥ 讀數 ≤ 5.25V | 無操作。 | 可工作。 | |
SSB1讀數過高 (> 5.259 VDC) | RSEL 值錯誤。 | 斷開電池并檢查RSEL值。 |
第3B步–檢查輸出交流電壓：使用示波器或DSO，通過探測MAX77642器件的三個輸出來測量輸出紋波(AC)。建議使用差分技術正確測量輸出并避免射頻拾取。
注釋：建議使用最小帶寬為200MHz的示波器和探頭。
如果電路工作正常，SSB0波形應該是1.8VDC（數字）輸出，上面疊加一個小紋波波形。圖7顯示了波紋波形。
使用下表診斷和解決相關問題：
輸入波形 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
紋波幅度過高 | 電容值錯誤；電容有缺陷。 | 斷開電池并檢查與DMM的所有連接；測量電容值。 | |
寬帶噪聲過高 | 負載過大；環境噪聲。 | 檢查負載和環境噪聲。 | 使用差分探頭探測輸出以減少環境噪聲。 |
躍遷尖峰過高 | 負載電感過大；輸入電流不足。 | 檢查線路電感；用示波器檢查輸入電流。 |
如果電路工作正常，SSB1波形應該是1.8VDC（模擬）輸出，上面疊加一個小紋波波形。圖8顯示了波紋波形。
使用下表診斷和解決相關問題：
輸入波形 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
紋波幅度過高 | 電容值錯誤；電容有缺陷。 | 斷開電池并檢查與DMM的所有連接；測量電容值。 | |
寬帶噪聲過高 | 負載過大；環境噪聲。 | 檢查負載和環境噪聲。 | 使用差分探頭探測輸出以減少環境噪聲。 |
躍遷尖峰過高 | 負載電感過大；輸入電流不足。 | 檢查線路電感；用示波器檢查輸入電流。 |
如果電路工作正常，SSB2波形應該是5.0VDC（用于LED）輸出，上面疊加一個小紋波波形。圖9顯示了紋波波形。
使用下表診斷和解決相關問題：
輸入波形 | 潛在原因 | 操作 | 注釋 |
紋波幅度過高 | 電容值錯誤；電容有缺陷。 | 斷開電池并檢查與DMM的所有連接；測量電容值。 | |
寬帶噪聲過高 | 負載過大；環境噪聲。 | 檢查負載和環境噪聲。 | 使用差分探頭探測輸出以減少環境噪聲。 |
躍遷尖峰過高 | 負載電感過大；輸入電流不足。 | 檢查線路電感；用示波器檢查輸入電流。 |
結語
本文介紹了經過預先驗證的電源電路，包括分立式和集成式，適用于基于MAX86171和基于MAX86141的PPG遠程病人生命體征監護儀。集成式和分立式開關模式電源電路設計均支持PPG性能，但集成解決方案尺寸更小，元件數量更少，建議用于尺寸受限的應用。
欲了解分立和集成電源實現方案的相應驗證測試數據，請訪問Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）網站：“適用于遠程病人生命體征監護儀的電源子系統”。
參考文獻：
用于生命體征監護儀的電源子系統
設計高精度、可穿戴的光學心率監護儀
關于作者
Felipe Neira
應用技術團隊高級成員 - 培訓和技術服務
Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）
作者簡介：Felipe Neira是Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）的應用工程師。他喜歡鉆研便攜式和可穿戴解決方案，側重于健康傳感器的電池電源管理。此外，他為ADI公司的所有廣泛市場產品提供技術支持。Felipe畢業于加利福尼亞大學圣克魯斯分校，獲電氣工程學士學位(BSEE)，畢業后不久即加入本公司。
Marc Smith
應用技術團隊主要成員
Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）
作者簡介：Marc Smith是Maxim Integrated（現為ADI公司一部分）的健康與醫療生物傳感應用技術團隊的成員。他是MEMS和傳感器技術領域的行業專家，在針對多個市場的傳感器產品和電子開發方面擁有超過30年的經驗。Marc擁有12項專利，并撰寫了十多份出版物。他獲得了加利福尼亞大學伯克利分校的電氣工程學士學位(BSEE)和加利福尼亞圣瑪麗學院的工商管理碩士學位(MBA)。
評論