穿戴式生理检测设备电源设计

耿 斌,王 颉,葛 宏

（航空医学研究所，北京，100142）

穿戴式生理检测设备电源设计

耿 斌,王 颉,葛 宏

（航空医学研究所，北京，100142）

介绍了三种典型的稳压电源，结合穿戴式生理检测设备电源管理的特点，分析了电路低功耗设计和电源保护的关键技术，提出了一种基于低压差线性稳压电源MAX8881、无线充电接收器BQ51013和自恢复保险丝的电源设计实例。

电源管理；稳压电源；低功耗

近年来穿戴式医疗一直是研究热点，相关的生理检测技术发展很快，越来越多的产品得到应用。穿戴式生理检测装置佩戴于人体，体积受到严格限制，作为电池供电设备，如何使电路满足功耗低、安全性好、体积小、重量轻、使用方便的要求是电路设计中的一个重要任务，针对穿戴式生理检测装置采用的电路特点，设计合适的电源管理电路，在控制体积的条件下降低功耗，保证足够的电池续航能力，将帮助穿戴式生理检测装置更好的从设计走向应用。

1 电源分类

根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源,它们各自都有一定的特点及适用范围。

线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源，其输出电压比输入电压低，反应速度快，输出纹波较小，压差大大时损耗大、效率较低。低压差线性稳压电源具有低成本、低噪声和低静态电流的优点。

开关稳压电源内部有一个工作在饱和导通及截止两种开关状态的晶体管，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定的输出电压。开关稳压电源包括升压、降压、升／降压和反转结构，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点，电源输出电压的纹波较大，比线性电源会产生更多的干扰，适用于对功耗敏感而对干扰不敏感的设备。

电容电荷泵也称为开关电容式电压变换器，其利用电容作为储能元件，内部的开关管阵列控制着电容的充放电，可以使输入电压以一定因数倍增或降低，从而得到所需要的输出电压，也可以用于产生负电压。电荷泵具有较高的效率和相对简单的外围电路设计，EMI和纹波的特性居中，但是有输出电压和输出电流的限制。

2 电路低功耗设计

为了满足实用性要求，需要提高检测设备的连续工作时间，但考虑到检测设备穿戴于人体，为满足舒适型的要求，对体积、重量又有严格限制，因此选择合适的电池供电方案至关重要。目前便携设备常用的供电方案主要有锂电池、镍氢电池、镍镉电池以及碱性电池。锂电池的能量效率最高，根据其放电曲线可以知道，锂电池工作时大部分时间处于3.5V至4V的范围内，电压低于3.5V后会快速下降。为延长检测设备供电电源的续航时间，提高电源的转换效率，供电电源的供电范围应尽量接近电池工作电压，因此各部分电路供电电压尽量选择在3V左右。

生理检测设备按供电要求一般由三部分组成：生理信号传

感器模块、微控制器模块和短距无线通信模块。信号采集电路和无线通信电路都对电源的稳定性有要求，故均采用低压差线性稳压电源，由于锂电池的工作电压与电路3.3V的工作电压很接近，因此可以获得较高的效率。在具体电源芯片选择上，为保证无线发射时的电流需要，最大输出电流需大于50mA。选择低压差、低输出噪声、低静态电源电流的线形稳压电源MAX8881，最高输入电压12V，最大输出电流200mA，选择固定输出3.3V的型号，除退藕电容外不需要其他外围元件。为实现对电路功耗的控制，采用多路电源的方式对各功能电路分别供电。

图1 MAX8881电源稳压电路

在降低功耗方面，首先在所有元器件的选型上，都把低功耗作为重要的考虑因素，最重要的微控制器模块采用高集成度且具备低功耗特性的产品，例如TI的MSP430FG439，其内部集成2级运算放大器、2路DA和3路12位AD，提供5种低功耗模式可以选择。传感器模块选择具有高能量转换效率特性的型号。在电路结构上，具备对无线模块连接状态的检测和传感器待机控制的功能，从而可以在软件上根据需要动态的控制系统工作状态，实现降低功耗的目的。还可以通过应用低功耗的无线工作方式，尽量减少检测装置无线发射时间，进一步降低功耗。

3 电池及电路保护

锂电池在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应。在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，影响电池的性能与使用寿命，并可能产生安全问题，因此需要对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池及整个电路发生损害。通过微控制器对电池电压的监测及对电路的控制、充电管理芯片、自恢复保险丝、锂电池集成的保护电路，共同实现对电池及电路的保护功能，可以防止电池的过放、过充、过载和短路，从而使电池和电路免遭不正常使用导致的损坏。

采用电源接收器bq51013与 bq500210 电源发送器相结合，嵌入在穿戴式设备中的接收器线圈采用近场感应电源传输，通过相互耦合的电感器接受发送器发送的电源，构成的无线电源解决方案控制电池充电过程。bq51013集成了一个低阻抗完全同步整流器、低压降稳压器、数字控制、精确电压与电流环路。支持最大20V输入电压，具有93% 的整体峰值AC-DC 效率及热关断功能，通过ILIM引脚外接的电阻来控制充电截至电流。非接触的充电方式可以减少穿戴式设备的外部接口，使用更方便。

图2 BQ51013电源充电电路

电池电压会随着放电过程逐渐降低，如果电压过低，将造成电池的永久性损坏。可以通过微控制器的模数转换功能实现对电池电压的监测，当检测到电压低于一定数值时，微控制器关断各路稳压电源，自身也进入功耗极低的掉电模式。当电池电压进一步降低时，电池集成的保护电路产生作用，切断放电回路，使电池无法再对负载进行放电。

除了在检测设备的设计、制作和使用过程排除潜在隐患外，还可以通过应用PTC(Positive Temperature Coefficient)自恢复保险丝确保电路安全。PTC自恢复保险丝由经过特殊处理的聚合树脂及分布在里面的导电粒子组成，在正常操作下自恢复保险丝为低阻状态。当线路发生短路或过载时，流经自恢复保险丝的大电流产生的热量使聚合树脂融化，体积迅速增长，形成高阻状态，工作电流迅速减小，从而对电路进行限制和保护。当故障排除后，PTC自恢复保险丝重新冷却结晶，体积收缩，导电粒子重新形成导电通路，自恢复保险丝恢复为低阻状态，从而完成对电路的保护。

4 结束语

随着电子技术的不断发展，穿戴式生理检测设备的实用性不断增强，通过采用合适的电源解决方案，可以降低系统功耗、减小体积、改善电池续航能力、提高易用性，使穿戴式生理检测设备更适合长期连续监测，在科研训练、家庭保健、个人健康管理等领域有很好的应用前景。

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Power Supply Design of Wearable Physiological Detection Device

Geng Bin,Wang Jie,Ge Hong
(Institute of Aviation Medicine,Beijing,100142)

Introduced three kinds of typical regulated power supply.According to the characteristics of wearable physiological detection device power management,analyzes the key technology to design low power circuit and protect power,presents a power supply design based on low dropout linear regulator MAX8881, wireless charging management chip BQ51013 and resettable fuse.

Power management;Regulated power supply;Low power consumption

R318

B

耿斌（1977-），男（汉族），航空医学研究所工程师，主要研究方向：电子医疗仪器、短距无线通信技术应用等。

总后勤部重大专项（编号：AKJ11J002）

GengBin,male,(han),engineer of Institute of Aviation Medicine,research interest:medical instrument, short range radio communication technology and its application.