血氧仪无缝替代的元器件选型方案

【导读】全球性公共卫生事件呈现多发态势，引发了社会各界对个人健康及公共卫生问题的深度反思和广泛关注。如何迅速、高效地了解人体健康状况，以确保个人身体健康，成为一大焦点问题。家庭医疗电子设备，以其便捷的操作和智能化的检测手段，使人们能迅速直观地判断自身健康状况，因此受到了大众的青睐。血氧仪采用非介入的方式测量或连续监测动脉血液中的氧饱和度，以确保血液中存在足够的氧，这种设备常用于处在麻醉状态的呼吸道疾病患者、新生儿以及重症患者。

血氧仪测量原理

典型的血氧仪带有一颗光电二极管PD和两颗发光二极管LED，检测我们的指尖或耳垂，一颗发光二极管释放波长为660纳米的光束，另一颗释放905、910或者940纳米的光束。人体血液中血红蛋白在含氧状态和非含氧状态下吸收红外光的状态存在很大差异，利用这个特性，再由光敏组件（血氧传感器）获取测量信号，将所获信号放大ADC处理后分析计算出两种血红蛋白的比例。血氧仪测量的关键是一种被称作PPG的技术，即Photo Plethysmo Graphy的简称，被译为光体积变化描记技术，或光电容积描记技术，是一种可以用于生物医学领域的红外无损检测技术，和“红外热成像”的原理相似。

不管血氧测量的承载方式如何变化，其测量基本原理是不会变化的，因此从测量系统维度来看，典型的血氧仪由光电二极管、LED光源、探针、血氧传感器、血氧传感器、滤波、运放、ADC/DAC、驱动芯片、电源管理芯片、按键、显示器、蜂鸣器、电池、主控芯片、存储芯片等组成。

快包分析师针对脉搏式血氧仪的应用场景推荐国产MCU、运放、LDO、MOSFET和充电芯片等元器件的无缝替代方案。

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方案一：基于极海APM32F103血氧仪主控方案

极海自主研发的APM32F103系列MCU，具有低功耗、高性能、快速移植等特点，可帮助客户加快研发速度，提升产品性能，缓解血氧仪等医疗电子设备的供需压力。

强大的运算处理能力

采用Arm®Cortex®-M3内核，最高工作频率96MHz，Flash高达512Kbytes，SRAM高达128Kbytes，内置FPU浮点运算单元，在信号速度与精度上具有强大运算处理能力，可在极短时间内读取、计算相应测量数据，并通过驱动液晶来显示血氧值。

丰富的外设资源

集成RTC、PWM、SDIO、EMMC（增强型外部存储控制器）以及I2S、高速SPI、主从I2C、USART、USB、CAN等数字外设和通信资源。优化升级后的USB2.0在系统时钟为96MHz时，可支持USB与CAN接同时使用，有利于实现血氧仪多样化的控制、通讯需求。

低功耗&高精度&高可靠性

支持运行、待机、休眠三种超低功耗模式，待机功耗消耗电流在3uA内，可有效延长电池的使用寿命，实现持久待机；IO驱动能力高达25mA，满足血氧仪在功耗、可靠性上的性能需求。3个12位、1us转换时间的A/D转换器，12通道DMA控制器，多达112个快速I/O端口，可快速获取数据，提高血氧仪测量的灵敏度和精准度。

应用场景

APM32F103系列MCU，拥有丰富的软硬件开发资源，使用便捷、易用开发；支持快速移植，有助于实现国产MCU的无缝替代。目前，该系列芯片还可广泛应用于额温枪、票据打印机、扫地机、对讲机、机械手、电动单车等产品领域。

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方案二：上海贝岭血氧仪应用方案和外围元器件

图1 指夹式血氧仪原理框图

1、模拟开关

模拟开关用于切换红光LED和红外光LED灯，LED灯发射电流可达到几十mA，因此要求模拟开关具有低导通电阻特性。推荐贝岭超低导通电阻模拟开关BL1555：

优势特点

▪ 宽工作电压范围：1.65~5.5V

▪ 超低导通电阻：0.3Ω

▪ -3dB 带宽：33MHz

▪ 静态电流：小于 1uA

▪ 高隔离度：-66dB

▪ 工作温度范围：-40~+125℃

▪ MSOP10，QFN1.8x1.4-10L 封装可选

2、低噪声运放

在光敏接收管侧，运放用于实现光电转换，一般选用低噪声运放，能够更好地提高系统的分辨率。推荐贝岭低噪声运放 BL3782/84:

优势特点

▪ 宽工作电压范围：2.1V~5.5V

▪ 低失调电压：最大值 3.5mV

▪ 低温度漂移：典型值 2.4uV/℃

▪ 低输入偏置电流：1pA

▪ 增益带宽积(GBW)：6MHz

▪ 静态电流：470uA 每通道

▪ 噪声系数：13nV/√Hz

3、通用运放

红光和红外光LED由通用运放和三极管构成的恒流电路驱动，具有较高的电流精度和较低的温度漂移。推荐贝岭通用运放 BL321L：

优势特点

▪ 宽工作电压范围：2.1V~5.5V

▪ 低失调电压：最大值 3.5mV

▪ 低温度漂移：典型值 2.7uV/℃

▪ 低输入偏置电流：1pA

▪ 增益带宽积(GBW)：1MHz

▪ 静态电流：40uA 每通道

▪ 噪声系数：27nV/√Hz

4、LDO

BL9161G针对电池供电系统进行了优化，可提供超低噪声和低静态电流。BL9161G在关闭模式下仅消耗0.01µA电流，并且具有快速开启时间（典型为50µs）。其他功能包括超低压差、高输出精度、限流保护和高纹波抑制率。

BL9162专为具有苛刻性能和空间要求的便携式应用而设计。它针对电池供电系统进行了优化，可提供超低噪音、低静态电流和高纹波抑制比。BL9162还可与低ESR陶瓷电容器配合使用，减少了电源应用所需的电路板空间，在手持无线设备中至关重要。

优势特点  

▪ 宽工作电压范围

▪ 良好的电源抑制比指标

▪ 低关断电流

▪ 低dropout电压

▪ 内置过热保护功能

▪ 快放电功能

▪ DFN1x1-4L,SOT23-5,SOT23-3,SC70-5封装

5、锂电池充电芯片

在电源拓扑上，一种是采用两节干电池(3V)供电，通过DC-DC升压到3.6V，再通过LDO降压给系统各电路使用，另一种采用锂电池供电，可以循环充电使用。推荐贝岭线性充电管理芯片BL4054B，BL4056C：

优势特点

▪ 锂电池正负极反接保护（部分型号）

▪ Vcc 输入端反接保护（部分型号）

▪ 可编程充电电流

▪ 恒定电流/恒定电压

▪ 温度自适应可实现充电速率最大化

▪ 精度达到±1%的预设充电电压

▪ 自动再充电

▪ C/10 充电终止

▪ 2.9V涓流充电

▪ 软启动限制浪涌电流

6、DC-DC升压电路

BL8536和ME2188是PFM高效同步升压电路，静态电流低，外围电路简单，非常适合干电池供电的电子产品应用。

优势特点

▪ 效率达93%以上

▪ 0.9V低启动电压

▪ 同步整流，不需外围肖特基二极管

7、低压MOSFET

BLM2301和BLM2305为采用沟槽技术的P沟道低压MOSFET， 具有极低的导通电阻，低至0.7V的栅极开启电压非常适合采用电池供电的便携电子产品。