便携式医疗电子及相关保护技术

中心议题：

    * 展望便携式医疗电子的发展趋势
    * 探讨便携式医疗电子产品的电路保护方案
    * 便携式电池供电医疗设备中电容的使用案例

便携式医疗电子被许多电子厂商当作下一个掘金点，其中既包括专业的便携式医疗电子设备，也包括家庭和个人的健康护理产品。

便携式医疗电子将在近年内迎来快速发展。首先，全球，尤其是中国，大量人口分布在偏远地区，无法享受到应有的医疗保障，需要有便携式医疗设备在家中实现健康监控。第二，人口老龄化已成为趋势，老年人的很多保健需求可以借助便携式医疗电子在家里完成，随着相关产品的普及，家庭医疗、远程看护必将大大减轻医疗系统的负担。第三，医用的便携式医疗电子设备能大大方便医生的诊断，间接提升医院的效率。
这是一块还未被开发的市场，有很大的增长潜力。在便携式医疗电子市场中，家用电子市场达到65.4%的份额，而且市场呈现加速增长的态势，2008年市场的增长速度达到28%。而该市场中的电子血压计、便携式血糖仪和电子助听器占据了90％以上的销售份额。看来，血压计、血糖仪等产品是中国家用便携产品的主力。

便携医疗电子的发展呈现以下趋势：
与无线技术的融合：许多手持式的心电图或者血糖仪产品，这些产品里面已经加入通讯模块或者通讯接口。用户可以在家里进行适时监测，把监测结果发送给医护人员，足不出户得到专业医护人员的指导。这似乎与无线设备的发展趋势有些相似。

微创化：比如便携式的血糖仪，用测试针开小窗口测量血液。随着光电技术以及半导体技术的发展，微创化也将成为趋势。

友好的人机交互：便携式医疗电子可以分为家用和医用。对于家用的设备来说，人机交互的能力非常重要。医学数据通常只有专业人员才能看懂，如何通过友好的软件和硬件，让普通使用者也能了解到各个参数的意义？另外，和便携式的电子设备一样，触摸屏的使用、语音提示等等直观的表现方法也将越来越多地用于产品中去。

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便携式医疗电子产品的电路保护
便携式电子产品对电路保护的要求包括电路响应时间短、功耗小、需要满足对环境的要求。下面，分别从过流保护、过压保护和过流、过压保护三方面来论述便携式医疗电子产品所采用的保护方案。

过流保护元件是一种非线性正温度系数热敏电阻一旦有过流状态出现，过大的电流让保护元件发热使阻值发生变化，由低阻态跃变为高阻态，从而限制电流，使被保护的电路免受过流损坏；在过流故障排除后，保 护元件冷却，自动由高阻态转变为低阻态，恢复正常工作。这种保护元件称为自复式过流保护元件，如瑞侃电子的PolySwitchTM元件。在未过流时，其电阻值很小（不同的额定电压下阻值不同，一般为零点几Ω到几Ω）；在过流发生时，其电阻值可达mΩ，电流极小接近“断开”，且断开时间（time-to-trip）更短。


 

便携式医疗电子产品也常常需要充电，充电的保护也可以通过PolySwitchTM元件完成。下图就是充电器中PolySwitchTM元件的应用。虚线框内是电池组，PolySwitchTM元件在其中作充、放电过流保护。

 过压保护元器件并联在被保护的电路上（见下图）。在输入电压未过压时，过压保护元器件呈高阻态，其泄漏电流甚微；一旦输入电压过压时，过压保护元器件在瞬 间提供低阻抗通路，并将电压钳位于安全的低电压，从而保护电路免受过压损害。当输入电压降落到正常工作电压时，过压保护元器件会自动恢复到高阻态。多层压敏电阻（MLV）及ESD保护元件PESD就是常用的过压保护元件。

MLV、PESD除用过压保护外，也是静电放电（ESD）保护元件。在插拔便携式产品的各种插头时，各端口很容易受到静电放电的损坏，因此插拔端口都需要加ESD保护元器件。

现在，市场上已经开始出现通过便携式医疗电子终端直接实现视频会话和虚拟诊疗的方案。对于以触摸屏为主要的人机交互界面，同时需要传输告诉的音视频信号的应用场合来说，需要在实现ESD保护的同时满足信号传输质量。在电脑、手机中使用的PESD产品也将大量应用在便携式医疗电子产品中。 PESD的抑制特性如下：

过流过压保护方面，瑞侃电子PolyZenTM元件器件是由精密齐纳二极管和聚合物正温度系数（PPTC）元件组合而成的集成电路。它是用于防止感应尖峰电压、瞬间高电压、错用电源适配器对电路产生过压、过流危害的保护器件。内部结构如下图所示。

在正常工作时，VIN输入电压高于齐纳二极管的击穿电压VZ，有IFLT电流经齐纳二极管到地，VOUT输出稳定的电压。有不正常的过压输入VIN 时，则齐纳二极管的IFLT会产生过流，当器件上有过流时，其电阻由低阻态瞬变到高阻态，使在其上的压降大增，VOUT输出基本不变，而流过齐纳二极管的 电流IFLT反而减小，如下图所示。器件上电压降的增大既保护了齐纳二极管，又保护了下游的电路。另外，若被保护的下游电路中存在有局部短路或短路故障 时，IOUT会增加，PPTC元件由低阻态变成高阻态，可使电路得到过流保护。
 
此外，可以用作过压保护的还包括：
变阻器：金属氧化物变阻器（MOV）是一种电压钳位元件，如电压超过阀值则其阻抗将变得非常小。MOV具有高度非线性电压阻抗（V-I）特性，反应速度快，能承受很高峰值电流，待机状态下漏 泄电流又较低。其主要应用是保护那些必须满足“瞬态电压浪涌抑制器”UL1449所列要求的产品免受雷电损害，经常会用在便携式医疗设备中。

ESD抑制器：高密度电路都很容易受到静电或ESD的侵害。因此要求许多新的电子设备必须满足IEC61000-4-2标准。静电（ESD）抑制器的聚合物结构使得制造商可生产出各种形状因子和配置的ESD抑制器，以满足各种不同应用的需要。该器件具有小于IPF的电容，可提供良好的限制信号降级和衰减的性能，以保证高速数据能正常工作。

便携式医疗电子产品大多使用电池组。随着多功能保护IC的出现，电池组设计人员也将研究重点转向采用单个多功能保护器件的安全应用。随着市场越来越多地依赖保护IC，对电路来说ESD 保护也变得非常关键。虽然IC很容易整合多种功能，但它们容易受到ESD和热过载的影响。分立二极管、多层变阻器或基于聚合物的ESD解决方案对保护IC的ESD结构进行了有效补充，提供最高至15kv的ESD保护。

除了ESD，保护IC还容易受到长时间过载条件下的热应力影响。由于IC的击穿特性，因此有可能存在一种故障模式，即电路在安全工作限制之外仍能正常工作。随着对多功能保护IC依赖的增强，保险丝保护方案仅用于冗余保护。

在降低下一代便携式应用系统成本和尺寸的设计趋势下，设计人员正致力于用多功能保护IC来替代多个分立元件。为继续保持用户期待的高级别安全性，电池组设计人员正在用多功能保护IC实现的简单电路取代功能差不多的ESD和保险丝保护。这可使设计人员在降低整体系统成本的同时，继续保持便携式医疗设备用户期待的安全保护性能。

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便携式电池供电医疗设备中电容的使用

便携式医疗设备使用的大容量电容的类型如下：

对使用可充电二次电池的便携式设备来说，可以使用多种类型的充电器：降压充电器、离线充电器或者线性稳压器/充电器。最常用的类型是降压充电器。这种充电器可以把电池源电压转换为较低电压并予以稳压。转换器可通过外部交流/直流适配器或者内部适配器电路供电。线性稳压器结构紧凑，非常适用于低容量电池充电器应用。单芯片集成解决方案既可为便携式设备供电，同时还可单独对电池进行充电。

下图是小型直流/直流开关稳压器的例子(使用威世 Siliconix Si9731实现的锂离子或镍镉/镍氢微处理器电池充电器)。它可以为电池充电器提供同步脉冲开关。该脉冲电池充电系统散热小，采用TSSOP封装，高度仅1.2毫米。该器件特性丰富，其中包括可在关断时将电池（Vbat）和外部电源隔离开来。

充电器中使用的电容有多种类型。输入去耦电容用于旁路噪声。一般将0.1μF MLCC电容布置在Vcc引脚附近，用来滤除高频噪声。

输出电容类型的选择应取决于合适的ESR，以符合稳定负载线路范围，同时应进行下列项目的评估：
1. 能够降低功耗
2. 能够降低纹波电压
3. 能够满足系统负载线路的要求

转换器负责提供负载电流和电压。随着负载的变化，电流的增加，电压会下降。稳压器可以保持恒定电压，但对负载电流的变化不能迅速做出响应，所以使用大容量电容来应对这样的变化，防止电压下降。如果转换器输出的电流要通过电感，它就无法瞬时响应，这时就需要在负载两端跨接一个并联电容组，来上拉电压。有时会混合使用MLCC和钽电容，以降低总体大容量电容的ESR。由于MLCC的阻抗较低，会先充电，然后才是大容量钽电容。

便携式医疗设备使用的电池或为一次性电池，或为二次电池。一次性电池一般只使用一次。在电路工作过程中，活性化学物质被消耗殆尽。一旦放电完毕，电路将停止工作，必须更换新的电池。二次电池可以在放电完毕后充电，因为产生电能的化学反应可以逆转，从而实现对电池系统充电。电源、电池类型的选择视应用而定。医疗设备常用的一次性电池类型有碱性电池和锂电池。

二次电池有锂离子 (Li-ion) 电池、镍镉电池 (NiCad)、镍氢(NiMH) 电池和铅酸电池。其中锂离子电池最常用，这是因为锂离子电池的体积能量密度和质量能量密度最大，放电率极低，这意味着闲置时有良好的荷电保持能力。钽电容的功耗及容量范围如下：

便携式设备电路需要输出电容，而输出电容通常由一次性或者二次电池供电，可以在负载瞬变过程中减轻电压过冲或者下冲。要有效地滤除噪声，电容的等效串联电阻 (ESR) 是重点考虑的参数。输出电容用来处理电路的纹波电流和电压。需要对电容组的过热予以控制，这样在电路工作中，不会超过最大允许功耗。需要确定的是，通过输出电容的纹波电流不超出允许值。

上表概述了在+25˚C和f=100kHz条件下各种封装（按外壳尺寸划分）的最大允许额定功率。对温升在+25℃以上的应用，建议应进一步进行降额。请参考电容生产厂家关于针对可适用的钽电封装的功率降额建议。

可使用公式P=Irms2 x ESR计算出最大允许交流纹波电流 (Irms)，其中P表示钽电容外壳尺寸对应的最大允许功率，ESR则可根据电容的工作频率计算得出。

对钽电容，还需要遵守合适的电压降额规范，不可超出生产厂家建议的额定值。输出电容的工作电压应由电压电路状态决定。其可根据公式 Vrated=Vpeak+Vdc计算得出，即纹波电压加上直流电压噪声。允许的纹波电压的计算方法为E=IxZ，其中Z表示电容器电阻。总体来说，较低的ESR可以帮助降低输出纹波噪声。

在电路中加入大容量电容还能在无负载条件下（此时电池尚未工作，使用线路电流供电）起到上电作用。当使用线路电流供电时，在选择大容量钽电容的额定值的时候，应遵从降额规范。

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