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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

本文作者：Felipe Neira 点击： 2023-03-23 10:32

前言：

作者：Felipe Neira和Marc Smith

摘要

这篇文章分两部分，介绍经过验证的针对远程病人生命体征监测应用的开关模式电源电路设计，包括具有出色系统信噪比性能的生物传感器。第一部分说明提供出色性能的分立解决方案，第二部分说明针对空间受限应用的集成解决方案。

您将会学到什么知识：

• 了解如何根据PPG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光电容积脉搏波(PPG)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。PPG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）的电源子系统电路设计，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

输入		输出（VDIG、VANA、VLED）		噪声，RTO
VIMIN	VIMAX	VOMIN	VOMAX	VPP(max)
3.0V1	4.2V1	1.6V	2.0V	30mVPP
2.0V2	3.4V2	1.6V	2.0V	30mVPP
		4.7V	5.3V	20mVPP

注释：

二次电池(LiPo)

一次电池（锂纽扣电池）

设计配置

设计配置

电池实现

电路板区域布局注意事项

分立

一次（纽扣电池）
二次(Li & LiPo)

实现单独的分立电路。

集成

二次(Li & LiPo)

使用单个集成电路以使电路板面积要求最小化。

仅支持二次电池。

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

标识	元件	描述
U1	DC-DC转换器	电源转换器件（MAX38640A和MAX20343H）
L1	2.2μH电感	低等效串联电阻(ESR)电感（能量）储存元件1
C1	22μF电容	低ESR电容（能量）储存元件1

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。

步骤	操作	程序步骤	测量	需要帮助？
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 – 3.4V	故障排除说明
2	检查输入直流电源 Coin Batt 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： 1.71V – 1.89V
4		测量负载两端的电压	读数范围： 1.71V – 1.89V
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

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：

输入电压读数	潜在原因	操作	注释
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。

输入波形	潜在原因	操作	注释
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：

输出电压读数	潜在原因	操作	注释
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：

输入波形	潜在原因	操作	注释
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。

步骤	操作	程序步骤	测量	需要帮助？
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C_IN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C_OUT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：

输入电压读数	潜在原因	操作	注释
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：

输入波形	潜在原因	操作	注释
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）	R_SEL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R_SEL	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：

输出电压读数	潜在原因	操作	注释
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 R_SEL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：

输入波形	潜在原因	操作	注释
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远程病人生命体征监护仪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远程病人生命体征监护仪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：

“适用于远程病人生命体征监护仪的电源子系统”。

图片说明：

图1.典型PPG远程病人生命体征监护仪的框图

图2.使用分立电源器件的PPG子系统的框图

图3.1.8VDC MAX38640A SMPS电路，用于远程病人生命体征监测应用

图4.1.8VDC MAX38640A SMPS电路设计的验证检查清单

图5.MAX38640A SMPS电路的故障排除工具

图6.轻负载下典型MAX38640A VLX波形的示波器屏幕截图

图7.MAX38640A的开关波形的示波器屏幕截图

图8.MAX38640A占空比与输出电压的关系图

图9.MAX38640A输出波纹波形的示波器屏幕截图

图10.用于远程病人生命体征监测应用的5.0VDC MAX20343H SMPS电路的框图

图11.MAX20343H电路的故障排除工具

图12.10mA轻负载下典型MAX20343H HVLX波形的示波器屏幕截图

图13.125mA负载下典型MAX20343H HVLX波形的示波器屏幕截图

图14.246mA负载下典型MAX20343H HVLX波形的示波器屏幕截图

图15.MAX20343H (5V)输出波纹波形的示波器屏幕截图

参考文献：

用于生命体征监护仪的电源子系统

设计高精度、可穿戴的光学心率监护仪

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

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）

www.maximintegrated.com

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）

www.maximintegrated.com

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)。

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