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

注释：

二次电池(LiPo)

一次电池（锂纽扣电池）

设计配置

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

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。

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：

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。

使用下表诊断和解决相关问题：

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：

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：

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。

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：

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：

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：

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：

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”。

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)。