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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，設計了一個基于三種電源管理芯片的電源管理模塊。該模塊能實現不同電壓之間的轉換，為各個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。
關鍵詞：生理狀況監測系統 電壓轉換 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的發展，生理狀況監測作為一個新興的產業，越來越受到人們關注。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，最大限度地發揮系統的最高性能。本文通過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，根據現有三類電源管理芯片，重點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品設計的瓶頸。近年來，隨著高能量密度的鋰電池的發展，便攜式電子產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、待機時間長、自放電率低、無記憶效應、無污染、反復充電、低成本等優點。
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，理論測算并結合實際使用，我們選擇總容量為1500mAh，電壓為3.6V的鋰電池供電。
電源管理的關鍵在于根據系統需求確定電源管理芯片的種類以實現電源電壓的轉換。目前常見的電源管理芯片分為以下三類：低壓差線性穩壓器(LDO)、開關電源和電荷泵。低壓差線性穩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用場合。開關電源通過低電阻開關和磁存儲單元，采用脈寬調制實現了較高的轉換效率。與LDO相比，由于其轉換效率高，開關電源發熱少、散熱簡單。一般適用于需要大電流、大功率或高效率的應用場合。電荷泵通過開關陣列、振蕩器和比較控制器實現電壓提升。根據表1中各模塊工作電壓，結合三類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實現3.6V到3.3V的轉換。TPS76933是一款低功耗、低壓降的線性穩壓器，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-5V的電壓，因此還需要一個電壓反轉器來實現+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電荷泵電壓反轉專用集成電路，其輸入電壓范圍為1.5V～10V，當輸入5V電壓時，靜態電流僅為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，實現了不同電壓之間的抬升、下降以及翻轉，為各個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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[3] 3.3V/5V/Adjustable-Output，Step-UpDC-DCConverters.http：//www.datasheet5.com/download/MAX756/2083535/MAXIM
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