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——第二部分
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。第一部分说明了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)。第二部分将说明用于空间受限应用的集成解决方案，其使用MAX86141光学脉搏血氧仪和心率传感器AFE（也可配合MAX86171使用）。
如本文第一部分所述，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。我们在第一部分中提供了分立方案，现在我们将提供集成解决方案。
重申一下，下面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 | 3.0V2 | 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） | 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。 |
集成设计描述
这种DC-DC电源管理集成电路(PMIC)设计可用来调节三输出电源轨，以用于远程病人生命体征监测子系统。该IC具有单电感多输出(SIMO)降压-升压调节器，通过单个电感提供电源轨，以最大限度地减小总体解决方案尺寸，同时保持高效率。
此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，以维护由可充电锂聚合物电池供电的生物传感器信噪比(SNR)性能。图2显示了使用集成电源器件的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(MAX77642) |
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PMIC的1.8V/1.8V/5.0V SMPS电路
以下电路基于MAX77642 PMIC，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/1.8V/5.0V SMPS电路验证检查清单
图4显示了用于远程病人生命体征监测的集成MAX77642 PMIC。
集成1.8V/1.8V/5.0V SMPS电路验证检查清单
下表可用作检查清单来验证1.8V/1.8V/5.0V SMPS电路的操作，该电路使用MAX77642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 | 测量电池两端的电压 | 读数范围：
3.0V – 4.2V | 故障排除说明 |
2 | 检查输入直流电源
LP401230 LiPo电池 | 测量CIN两端的电压 | 读数范围：
3.0V – 4.2V | |
3 | 检查VOUT直流电平 | 测量以GND为基准的SBB1输出直流电压 | 模拟1.8V读数范围：1.71V – 1.89V | |
4 | 测量以GND为基准的SBB0输出直流电压 | 数字1.8V读数范围：1.71V – 1.89V | ||
5 | 测量以GND为基准的SBB2输出直流电压 | |||
6 | 检查模拟1.8V输出噪声电平 | 在C5上使用猪尾引线10x单端探头或差分有源探头
| 纹波噪声电平应 < 20mVPP | |
开关尖峰应 < 30mVP | ||||
7 | 检查数字1.8V输出噪声电平 | 在C4上使用猪尾引线10x单端探头或差分有源探头
| 纹波噪声电平应 < 20mVPP | |
开关尖峰应 < 30mVP | ||||
8 | 检查模拟5.0V输出噪声电平 | 在C6上使用猪尾引线10x单端探头或差分有源探头
| 纹波噪声电平应 < 20mVPP | |
开关尖峰应 < 30mVP |
1.8V/1.8V/5.0V SMPS电路故障排除指南
如果1.8V/1.8V/5.0V 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集成开关模式电源时可能遇到的最常见问题。
MAX77642 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MAX77642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。 | |
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。 | 可工作。 | |
读数 ≥ 4.2V | 电池有缺陷 | 更换电池。 |
第2步 – 检查电感信号波形：使用示波器或数字存储示波器(DSO)探测MAX77642器件上的LXA引脚。如果输入引脚不易接近，请将探头放在(LXA)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，则波形应为一系列脉冲波，上升沿和下降沿的振铃最小，如图6所示。
脉冲波形展示了共享单个电感的三个开关模式电源（也称为SIMO电源）的时分复用。
与理想脉冲波系列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 | IN pin open IN引脚开路
| 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（缺失脉冲） | |||
SSB0脉冲缺失 | EN0对GND短路 | 检查0V的SSB0输出。 断开电池，测试从EN0引脚到GND的电导率。 | PCB可能有短路。 |
SSB1脉冲缺失 | EN1对GND短路 | 检查0V的SSB1输出。 断开电池，测试从EN0引脚到GND的电导率。 | PCB可能有短路。 |
SSB2脉冲缺失 | EN2对GND短路 | 检查0V的SSB2输出。 断开电池，测试从EN0引脚到GND的电导率。 | PCB可能有短路。 |
占空比不正确（脉冲宽度不正确） | 输出电压选择电阻；器件有缺陷。 | 识别与不正确PW相关的SSBx通道，按照以下相关步骤操作。 | |
SSB0 PW不正确 | RSET_SSB0对GND短路(SSB0 VO=0.5V) | 断开电池并测试40.2KΩ接GND电阻。 | 电阻损坏/错误。PCB可能有短路。 |
RSET_SSB0引脚开路(SSB0 VO=5.2V) | 断开电池，测试从电阻到RSET_SSB0引脚的电导率。 | PCB可能有开路。焊接不良。 | |
RSET_SSB0电阻值错误 | 断开电池并测试40.2KΩ接GND电阻。 | 安装的电阻损坏/不正确。 | |
SSB1 PW不正确 | RSET_SSB1对GND短路(SSB1 VO=0.5V) | 断开电池并测试28KΩ接GND电阻。 | 电阻损坏（短路）。PCB可能有短路。 |
RSET_SSB0引脚开路(SSB1 VO=5.2V) | 断开电池，测试从电阻到RSET_SSB1引脚的电导率。 | PCB可能有开路。焊接不良。 | |
RSET_SSB0电阻值错误 | 断开电池并测试28KΩ接GND电阻。 | 安装的电阻损坏/不正确。 | |
SSB2脉冲缺失 | RSET_SSB2对GND短路(SSB2 VO=0.5V) | 断开电池并测试536KΩ接GND电阻。 | 电阻损坏（短路）。PCB可能有短路。 |
RSET_SSB2引脚开路(SSB2 VO=5.5V) | 断开电池，测试从电阻到RSET_SSB2引脚的电导率。 | PCB可能有开路。焊接不良。 | |
RSET_SSB2电阻值错误 | 断开电池并测试536KΩ接GND电阻。 | 安装的电阻损坏/不正确。 | |
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MAX77642器件三个输出端的电压。务必将负极“黑色”引线接地，正极“红色”引线连接到器件的相关SSBx通道输出“OUT”引脚。如果输出引脚不易接近，请将引线穿过相关输出电容COUT。
使用下表诊断和解决相关SSB0 (1.8VDC)输出问题：
输出电压读数 | 潜在原因 | 操作 | 注释 |
SSB0：零伏/无读数 | 从SSB0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。 | |
SSB0：读数过低 (< 1.71 VDC) | 电感值错误 电感饱和 RSET_SSB0值错误。 | 断开电池，检查电感和/或电阻值。 | |
1.71V ≥ 读数 ≤ 1.89V | 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。 |
使用下表诊断和解决相关SSB1 (1.8VDC)输出问题：
输出电压读数 | 潜在原因 | 操作 | 注释 |
SSB1：零伏/无读数 | 从SSB0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。 | |
SSB1：读数过低 (< 1.71 VDC) | 电感值错误 电感饱和 RSET_SSB1值错误。 | 断开电池，检查电感和/或电阻值。 | |
1.71V ≥ 读数 ≤ 1.89V | 无操作。 | 可工作。 | |
SSB1读数过高 (> 1.89 VDC) | RSEL 值错误。 | 断开电池并检查RSEL值。 |
使用下表诊断和解决相关SSB2 (5.0VDC)输出问题：
输出电压读数 | 潜在原因 | 操作 | 注释 |
SSB2：零伏/无读数 | 从SSB0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。 | |
SSB2：读数过低 (< 4.75 VDC) | 电感值错误 电感饱和 RSET_SSB2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。 | |
SSB1读数过高 (> 5.259 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MAX77642器件的三个输出来测量输出纹波(AC)。建议使用差分技术正确测量输出并避免射频拾取。
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，SSB0波形应该是1.8VDC（数字）输出，上面叠加一个小纹波波形。图7显示了波纹波形。
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。 | |
宽带噪声过高 | 负载过大；环境噪声。 | 检查负载和环境噪声。 | 使用差分探头探测输出以减少环境噪声。 |
跃迁尖峰过高 | 负载电感过大；输入电流不足。 | 检查线路电感；用示波器检查输入电流。 |
如果电路工作正常，SSB1波形应该是1.8VDC（模拟）输出，上面叠加一个小纹波波形。图8显示了波纹波形。
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。 | |
宽带噪声过高 | 负载过大；环境噪声。 | 检查负载和环境噪声。 | 使用差分探头探测输出以减少环境噪声。 |
跃迁尖峰过高 | 负载电感过大；输入电流不足。 | 检查线路电感；用示波器检查输入电流。 |
如果电路工作正常，SSB2波形应该是5.0VDC（用于LED）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 | 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。 | |
宽带噪声过高 | 负载过大；环境噪声。 | 检查负载和环境噪声。 | 使用差分探头探测输出以减少环境噪声。 |
跃迁尖峰过高 | 负载电感过大；输入电流不足。 | 检查线路电感；用示波器检查输入电流。 |
结语
本文介绍了经过预先验证的电源电路，包括分立式和集成式，适用于基于MAX86171和基于MAX86141的PPG远程病人生命体征监护仪。集成式和分立式开关模式电源电路设计均支持PPG性能，但集成解决方案尺寸更小，元件数量更少，建议用于尺寸受限的应用。
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”。
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）
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）
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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