耿 斌,王 頡,葛 宏

（航空醫(yī)學(xué)研究所，北京，100142）

穿戴式生理檢測設(shè)備電源設(shè)計(jì)

耿 斌,王 頡,葛 宏

（航空醫(yī)學(xué)研究所，北京，100142）

介紹了三種典型的穩(wěn)壓電源，結(jié)合穿戴式生理檢測設(shè)備電源管理的特點(diǎn)，分析了電路低功耗設(shè)計(jì)和電源保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種基于低壓差線性穩(wěn)壓電源MAX8881、無線充電接收器BQ51013和自恢復(fù)保險絲的電源設(shè)計(jì)實(shí)例。

電源管理；穩(wěn)壓電源；低功耗

近年來穿戴式醫(yī)療一直是研究熱點(diǎn)，相關(guān)的生理檢測技術(shù)發(fā)展很快，越來越多的產(chǎn)品得到應(yīng)用。穿戴式生理檢測裝置佩戴于人體，體積受到嚴(yán)格限制，作為電池供電設(shè)備，如何使電路滿足功耗低、安全性好、體積小、重量輕、使用方便的要求是電路設(shè)計(jì)中的一個重要任務(wù)，針對穿戴式生理檢測裝置采用的電路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的電源管理電路，在控制體積的條件下降低功耗，保證足夠的電池續(xù)航能力，將幫助穿戴式生理檢測裝置更好的從設(shè)計(jì)走向應(yīng)用。

1 電源分類

根據(jù)不同的工作原理可將電源分成三類：線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源及電荷泵電源,它們各自都有一定的特點(diǎn)及適用范圍。

線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源，線性穩(wěn)壓電源是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源，其輸出電壓比輸入電壓低，反應(yīng)速度快，輸出紋波較小，壓差大大時損耗大、效率較低。低壓差線性穩(wěn)壓電源具有低成本、低噪聲和低靜態(tài)電流的優(yōu)點(diǎn)。

開關(guān)穩(wěn)壓電源內(nèi)部有一個工作在飽和導(dǎo)通及截止兩種開關(guān)狀態(tài)的晶體管，通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定的輸出電壓。開關(guān)穩(wěn)壓電源包括升壓、降壓、升／降壓和反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，具有高效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流等特點(diǎn)，電源輸出電壓的紋波較大，比線性電源會產(chǎn)生更多的干擾，適用于對功耗敏感而對干擾不敏感的設(shè)備。

電容電荷泵也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，其利用電容作為儲能元件，內(nèi)部的開關(guān)管陣列控制著電容的充放電，可以使輸入電壓以一定因數(shù)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓，也可以用于產(chǎn)生負(fù)電壓。電荷泵具有較高的效率和相對簡單的外圍電路設(shè)計(jì)，EMI和紋波的特性居中，但是有輸出電壓和輸出電流的限制。

2 電路低功耗設(shè)計(jì)

為了滿足實(shí)用性要求，需要提高檢測設(shè)備的連續(xù)工作時間，但考慮到檢測設(shè)備穿戴于人體，為滿足舒適型的要求，對體積、重量又有嚴(yán)格限制，因此選擇合適的電池供電方案至關(guān)重要。目前便攜設(shè)備常用的供電方案主要有鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池以及堿性電池。鋰電池的能量效率最高，根據(jù)其放電曲線可以知道，鋰電池工作時大部分時間處于3.5V至4V的范圍內(nèi)，電壓低于3.5V后會快速下降。為延長檢測設(shè)備供電電源的續(xù)航時間，提高電源的轉(zhuǎn)換效率，供電電源的供電范圍應(yīng)盡量接近電池工作電壓，因此各部分電路供電電壓盡量選擇在3V左右。

生理檢測設(shè)備按供電要求一般由三部分組成：生理信號傳

感器模塊、微控制器模塊和短距無線通信模塊。信號采集電路和無線通信電路都對電源的穩(wěn)定性有要求，故均采用低壓差線性穩(wěn)壓電源，由于鋰電池的工作電壓與電路3.3V的工作電壓很接近，因此可以獲得較高的效率。在具體電源芯片選擇上，為保證無線發(fā)射時的電流需要，最大輸出電流需大于50mA。選擇低壓差、低輸出噪聲、低靜態(tài)電源電流的線形穩(wěn)壓電源MAX8881，最高輸入電壓12V，最大輸出電流200mA，選擇固定輸出3.3V的型號，除退藕電容外不需要其他外圍元件。為實(shí)現(xiàn)對電路功耗的控制，采用多路電源的方式對各功能電路分別供電。

圖1 MAX8881電源穩(wěn)壓電路

在降低功耗方面，首先在所有元器件的選型上，都把低功耗作為重要的考慮因素，最重要的微控制器模塊采用高集成度且具備低功耗特性的產(chǎn)品，例如TI的MSP430FG439，其內(nèi)部集成2級運(yùn)算放大器、2路DA和3路12位AD，提供5種低功耗模式可以選擇。傳感器模塊選擇具有高能量轉(zhuǎn)換效率特性的型號。在電路結(jié)構(gòu)上，具備對無線模塊連接狀態(tài)的檢測和傳感器待機(jī)控制的功能，從而可以在軟件上根據(jù)需要動態(tài)的控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。還可以通過應(yīng)用低功耗的無線工作方式，盡量減少檢測裝置無線發(fā)射時間，進(jìn)一步降低功耗。

3 電池及電路保護(hù)

鋰電池在正常使用過程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)。在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生安全問題，因此需要對電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池及整個電路發(fā)生損害。通過微控制器對電池電壓的監(jiān)測及對電路的控制、充電管理芯片、自恢復(fù)保險絲、鋰電池集成的保護(hù)電路，共同實(shí)現(xiàn)對電池及電路的保護(hù)功能，可以防止電池的過放、過充、過載和短路，從而使電池和電路免遭不正常使用導(dǎo)致的損壞。

采用電源接收器bq51013與 bq500210 電源發(fā)送器相結(jié)合，嵌入在穿戴式設(shè)備中的接收器線圈采用近場感應(yīng)電源傳輸，通過相互耦合的電感器接受發(fā)送器發(fā)送的電源，構(gòu)成的無線電源解決方案控制電池充電過程。bq51013集成了一個低阻抗完全同步整流器、低壓降穩(wěn)壓器、數(shù)字控制、精確電壓與電流環(huán)路。支持最大20V輸入電壓，具有93% 的整體峰值A(chǔ)C-DC 效率及熱關(guān)斷功能，通過ILIM引腳外接的電阻來控制充電截至電流。非接觸的充電方式可以減少穿戴式設(shè)備的外部接口，使用更方便。

圖2 BQ51013電源充電電路

電池電壓會隨著放電過程逐漸降低，如果電壓過低，將造成電池的永久性損壞?？梢酝ㄟ^微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)對電池電壓的監(jiān)測，當(dāng)檢測到電壓低于一定數(shù)值時，微控制器關(guān)斷各路穩(wěn)壓電源，自身也進(jìn)入功耗極低的掉電模式。當(dāng)電池電壓進(jìn)一步降低時，電池集成的保護(hù)電路產(chǎn)生作用，切斷放電回路，使電池?zé)o法再對負(fù)載進(jìn)行放電。

除了在檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)、制作和使用過程排除潛在隱患外，還可以通過應(yīng)用PTC(Positive Temperature Coefficient)自恢復(fù)保險絲確保電路安全。PTC自恢復(fù)保險絲由經(jīng)過特殊處理的聚合樹脂及分布在里面的導(dǎo)電粒子組成，在正常操作下自恢復(fù)保險絲為低阻狀態(tài)。當(dāng)線路發(fā)生短路或過載時，流經(jīng)自恢復(fù)保險絲的大電流產(chǎn)生的熱量使聚合樹脂融化，體積迅速增長，形成高阻狀態(tài)，工作電流迅速減小，從而對電路進(jìn)行限制和保護(hù)。當(dāng)故障排除后，PTC自恢復(fù)保險絲重新冷卻結(jié)晶，體積收縮，導(dǎo)電粒子重新形成導(dǎo)電通路，自恢復(fù)保險絲恢復(fù)為低阻狀態(tài)，從而完成對電路的保護(hù)。

4 結(jié)束語

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，穿戴式生理檢測設(shè)備的實(shí)用性不斷增強(qiáng)，通過采用合適的電源解決方案，可以降低系統(tǒng)功耗、減小體積、改善電池續(xù)航能力、提高易用性，使穿戴式生理檢測設(shè)備更適合長期連續(xù)監(jiān)測，在科研訓(xùn)練、家庭保健、個人健康管理等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

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Power Supply Design of Wearable Physiological Detection Device

Geng Bin,Wang Jie,Ge Hong
(Institute of Aviation Medicine,Beijing,100142)

Introduced three kinds of typical regulated power supply.According to the characteristics of wearable physiological detection device power management,analyzes the key technology to design low power circuit and protect power,presents a power supply design based on low dropout linear regulator MAX8881, wireless charging management chip BQ51013 and resettable fuse.

Power management;Regulated power supply;Low power consumption

R318

B

耿斌（1977-），男（漢族），航空醫(yī)學(xué)研究所工程師，主要研究方向：電子醫(yī)療儀器、短距無線通信技術(shù)應(yīng)用等。

總后勤部重大專項(xiàng)（編號：AKJ11J002）

GengBin,male,(han),engineer of Institute of Aviation Medicine,research interest:medical instrument, short range radio communication technology and its application.