生理狀況監測系統電源管理模塊設計

　　摘要：電源管理模塊是生理狀況監測系統持續工作、安全穩定的關(guān)鍵。本文針對生理狀況監測系統各模塊電壓需求不同，設計了一個(gè)基于三種電源管理芯片的電源管理模塊。該模塊能實(shí)現不同電壓之間的轉換，為各個(gè)模塊提供符合要求的工作電壓，確保系統穩定、安全、可靠運行。

　　關(guān)鍵詞：生理狀況監測系統 電壓轉換 電源管理模塊

　　引言

　　隨著(zhù)人們健康觀(guān)念加深和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，生理狀況監測作為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，越來(lái)越受到人們關(guān)注。生理狀況監測系統一般由中央處理模塊、生理信息采集模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊組成。其中電源模塊尤為重要，其性能的好壞直接影響到整個(gè)系統的穩定性、散熱性、持續性、可靠性和可恢復性。電源模塊的設計思路在于利用有限的電能以有效的方式為系統供電，并管理系統電能消耗，最大限度地發(fā)揮系統的最高性能。本文通過(guò)對生理狀況監測系統各模塊工作電壓、電流的分析，總結出系統對電壓、電流、功耗等指標的需求，根據現有三類(lèi)電源管理芯片，重點(diǎn)討論電池的選擇和電源管理模塊設計，為生理狀況監測系統各模塊提供符合要求的工作電壓，使系統能夠穩定、安全、可靠、高效地工作。

　　一、生理狀況監測系統電源管理模塊設計

　　生理狀況監測系統屬于便攜式電子產(chǎn)品，便攜式設備處理器需要低電壓、大電流供電，由于普遍采用電池供電，電池固定的電壓、電流電容、體積和重量成為便攜式電子產(chǎn)品設計的瓶頸。近年來(lái)，隨著(zhù)高能量密度的鋰電池的發(fā)展，便攜式電子產(chǎn)品逐步趨于使用鋰電池作為系統電源，鋰電池具有體積小、應用靈活、待機時(shí)間長(cháng)、自放電率低、無(wú)記憶效應、無(wú)污染、反復充電、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文所述的生理狀況監測系統由處理器模塊、心電模塊、呼吸模塊、體溫模塊、血氧飽和度模塊、體動(dòng)模塊和電源模塊組成。如圖1所示。

　　各模塊的工作電壓如表1所示。

　　本系統選用鋰電池供電，根據各模塊的工作電壓和電流消耗，初步設定連續監測24小時(shí)，理論測算并結合實(shí)際使用，我們選擇總容量為1500mAh，電壓為3.6V的鋰電池供電。

　　電源管理的關(guān)鍵在于根據系統需求確定電源管理芯片的種類(lèi)以實(shí)現電源電壓的轉換。目前常見(jiàn)的電源管理芯片分為以下三類(lèi)：低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)、開(kāi)關(guān)電源和電荷泵。低壓差線(xiàn)性穩壓器是通過(guò)輸入電壓控制電流源來(lái)控制輸出電壓。一般適用于對電流輸出要求較低或小功率的應用場(chǎng)合。開(kāi)關(guān)電源通過(guò)低電阻開(kāi)關(guān)和磁存儲單元，采用脈寬調制實(shí)現了較高的轉換效率。與LDO相比，由于其轉換效率高，開(kāi)關(guān)電源發(fā)熱少、散熱簡(jiǎn)單。一般適用于需要大電流、大功率或高效率的應用場(chǎng)合。電荷泵通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列、振蕩器和比較控制器實(shí)現電壓提升。根據表1中各模塊工作電壓，結合三類(lèi)電源管理芯片的特性，設計出系統電源模塊，如圖2所示。

　　本系統采用3.6V鋰電池供電，而中心處理芯片和體動(dòng)模塊的工作電壓為3.3V， 由于考慮低功耗和高效率的要求，采用TI公司的TPS76933實(shí)現3.6V到3.3V的轉換。TPS76933是一款低功耗、低壓降的線(xiàn)性穩壓器，采用5引腳SOT-23(DBV)封裝， 工作結溫范圍為-40℃～125℃，可固定輸出3.3V的電壓，100mA的靜態(tài)電流，待機模式下只有1的損耗。設計電路如3所示。

　　心電、呼吸、體溫和血氧飽和度模塊需要5V的工作電壓，采用Maxim公司的MAX756將3.6V電壓提升為5V。MAX756是一款體積小、適用于低電壓供電的CMOS步升DC-DC變換器。根據引腳電平高低的不同，可以輸出3V或5V的電壓。具體電路設計如圖4所示。

　　心電和呼吸模塊還需要一個(gè)-5V的電壓，因此還需要一個(gè)電壓反轉器來(lái)實(shí)現+5V到-5V的變化，本系統采用了ME7660。ME7660是一款高轉換精度、高轉換效率的DC-DC電荷泵電壓反轉專(zhuān)用集成電路，其輸入電壓范圍為1.5V～10V，當輸入5V電壓時(shí)，靜態(tài)電流僅為90，且外圍只需接兩只低損耗電容，無(wú)需電感，體積小，使用方便，降低了電磁干擾。具體電路設計如圖5所示。

　　二、結論

　　生理狀況監測系統能否正常工作，電源管理模塊是關(guān)鍵。針對生理狀況系統各模塊工作電壓、電流不同，本文提出一種基于三種電源管理芯片的電源管理模塊設計，實(shí)現了不同電壓之間的抬升、下降以及翻轉，為各個(gè)模塊提供符合要求的工作電壓，提高系統的穩定性、安全性和可靠性。

　　參考文獻：

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