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生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)電源管理模塊設(shè)計(jì)
摘要：電源管理模塊是生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)工作、安全穩(wěn)定的關(guān)鍵。本文針對生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)各模塊電壓需求不同，設(shè)計(jì)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(xiàn)不同電壓之間的轉(zhuǎn)換，為各個(gè)模塊提供符合要求的工作電壓，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：生理狀況監(jiān)測系統(tǒng) 電壓轉(zhuǎn)換 電源管理模塊
引言
隨著人們健康觀念加深和無線通信技術(shù)的發(fā)展，生理狀況監(jiān)測作為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，越來越受到人們關(guān)注。生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)一般由中央處理模塊、生理信息采集模塊、無線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(tǒng)的穩(wěn)定性、散熱性、持續(xù)性、可靠性和可恢復(fù)性。電源模塊的設(shè)計(jì)思路在于利用有限的電能以有效的方式為系統(tǒng)供電，并管理系統(tǒng)電能消耗，最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的最高性能。本文通過對生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)各模塊工作電壓、電流的分析，總結(jié)出系統(tǒng)對電壓、電流、功耗等指標(biāo)的需求，根據(jù)現(xiàn)有三類電源管理芯片，重點(diǎn)討論電池的選擇和電源管理模塊設(shè)計(jì)，為生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)各模塊提供符合要求的工作電壓，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全、可靠、高效地工作。
一、生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)電源管理模塊設(shè)計(jì)
生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)屬于便攜式電子產(chǎn)品，便攜式設(shè)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(shè)計(jì)的瓶頸。近年來，隨著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(tǒng)電源，鋰電池具有體積小、應(yīng)用靈活、待機(jī)時(shí)間長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染、反復(fù)充電、低成本等優(yōu)點(diǎn)。
本文所述的生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)選用鋰電池供電，根據(jù)各模塊的工作電壓和電流消耗，初步設(shè)定連續(xù)監(jiān)測24小時(shí)，理論測算并結(jié)合實(shí)際使用，我們選擇總?cè)萘繛?500mAh，電壓為3.6V的鋰電池供電。
電源管理的關(guān)鍵在于根據(jù)系統(tǒng)需求確定電源管理芯片的種類以實(shí)現(xiàn)電源電壓的轉(zhuǎn)換。目前常見的電源管理芯片分為以下三類：低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)、開關(guān)電源和電荷泵。低壓差線性穩(wěn)壓器是通過輸入電壓控制電流源來控制輸出電壓。一般適用于對電流輸出要求較低或小功率的應(yīng)用場合。開關(guān)電源通過低電阻開關(guān)和磁存儲(chǔ)單元，采用脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)換效率。與LDO相比，由于其轉(zhuǎn)換效率高，開關(guān)電源發(fā)熱少、散熱簡單。一般適用于需要大電流、大功率或高效率的應(yīng)用場合。電荷泵通過開關(guān)陣列、振蕩器和比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升。根據(jù)表1中各模塊工作電壓，結(jié)合三類電源管理芯片的特性，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)電源模塊，如圖2所示。
本系統(tǒng)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(xiàn)3.6V到3.3V的轉(zhuǎn)換。TPS76933是一款低功耗、低壓降的線性穩(wěn)壓器，采用5引腳SOT-23(DBV)封裝， 工作結(jié)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(jī)模式下只有1的損耗。設(shè)計(jì)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(jù)引腳電平高低的不同，可以輸出3V或5V的電壓。具體電路設(shè)計(jì)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(zhuǎn)器來實(shí)現(xiàn)+5V到-5V的變化，本系統(tǒng)采用了ME7660。ME7660是一款高轉(zhuǎn)換精度、高轉(zhuǎn)換效率的DC-DC電荷泵電壓反轉(zhuǎn)專用集成電路，其輸入電壓范圍為1.5V～10V，當(dāng)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，無需電感，體積小，使用方便，降低了電磁干擾。具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示。
二、結(jié)論
生理狀況監(jiān)測系統(tǒng)能否正常工作，電源管理模塊是關(guān)鍵。針對生理狀況系統(tǒng)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了不同電壓之間的抬升、下降以及翻轉(zhuǎn)，為各個(gè)模塊提供符合要求的工作電壓，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。
參考文獻(xiàn)：
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