无创脉搏波测量应用中的芯片电压管理系统*

李 锟 杨 琳* 张 松 杨益民 李旭雯

无创脉搏波测量应用中的芯片电压管理系统*

李 锟①杨 琳①*张 松①杨益民①李旭雯①

目的：提出一种基于星形拓扑结构的芯片电压转换系统，以解决脉搏波测量电路板电源难于管理的问题。方法：通过采用对芯片电压管理系统设置中间电压的方式，即设置电压转换节点，并由该节点完成一系列的输入、输出电压转换。结果：该系统可以实现多种日常供电电压向脉搏波测量中常用的芯片电压的转换，并在一定程度上简化了相关电源管理电路的设计。结论：转换电压涉及常用的生活用电电压以及芯片工作电压，该系统具有较好的移植性。

电压转换；脉搏波；无创检测；中间电压

李锟，男，(1991- )，硕士研究生。北京工业大学生命科学与生物工程学院，研究方向；生物医学工程。

利用脉搏波可以得到血液流动、心搏功能以及血管弹性等丰富的心血管系统生理信息[1]。该采集过程十分简便、快捷且无创，不会给患者带来伤痛。而桡动脉脉搏波与指端容积脉搏波作为脉搏波的两种主要类型，在评定人体心血管功能中得到了广泛的应用。

脉搏波测量电路包括采集、放大及去噪等部分，在其测量电路设计的实践中，经常面临电源设计的困扰。电路板的供电电压通常设定为一个固定的电压值(5V)，以便利用现成的电源供电接口，如电脑USB接口、常用手机充电器等。然而，电路板的集成芯片所需的供电电压却有9V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V和1.25V，另有一些集成运放需要-9V、-5V和-3.3V电压。面临如此多样的内部电压需求，每块电路板都需要单独设计的电压转换模块进行转换，其弊端在于电压模块电路可移植性差，每设计一块新的电路板，都需要重新设计模块，造成人力、物力的浪费。虽然市场上的开关电源能解决常用的电压转换问题，但是一种开关电源输出的电压种类有限，常常不能满足电路板设计的需要，而且目前开关电源体积较大，多采用绕线组的方式，不宜集成到实际PCB电路板中去[2]。因而一种数字式的、可以适应多种电压需求以及具有可靠移植性的电压转换系统有着迫切的应用需求[3]。

1 电压转换系统的基本原理

实验室所设计的脉搏波测量电路常应用于血氧饱和度、血液粘稠度及心输出量等生理参数的测量，以及妊娠高血压综合征等疾病的预防检测[4-6]。这些参数及应用都属于医疗保健的范畴，最终需面向用户，因此电路板的供电电压应是生活中常用的电源电压，如220V交流电、1.5V干电池及9V干电池等，以方便用户使用。在电源管理系统的输出端，需输出如上所述的正电压以及负电压，以满足众多芯片对不同电压需求。

考虑到转换电压的种类众多，因而参考拓扑学中的星形网络结构，设置中间电压，将全部输入电压先转换为中间电压，再由中间电压转换为脉搏波测量中的芯片常用供电电压。采用星形拓扑结构的好处在于极大地简化了电路的设计，若采用输入、输出电压两两匹配转换的方式，所需的电路设计将十分复杂。同时星形结构属于集中控制，较为简单也易排查[7]。

2 电压转换系统的实现

基于电压转换原理将电压转换过程细化，便需要设置不同功能模块，包括一级电压转换部分、二级电压转换部分、电源输入端口以及电压输出端口。其中一级电压转换部分实现输入端口电压向中间电压的转换，二级电压转换部分实现中间电压向输出端口电压的转换(如图1所示)。

图1 电压转换系统结构图

电压输入端口由4个电源输入端口组成，其中第1、第2、第3和第4电源输入端口分别对应不同幅度的电压值，以中间电压设置(5V)为例，第1电源输入端口用于接入220V交流电，即家用交流电；第2电源输入端口用于接入12V和9V直流电，即接入高于中间电压的直流电；第3电源输入端口用于接入5V直流电，即接入与中间电压等值的直流电；第4电源输入端口用于接入3.7V、3.2V、3V、1.5V和1.2V直流电，即接入低于中间电压的直流电，将交流电、电压高于中间电压的直流电、电压等值中间电压的直流电以及电压低于中间电压的直流电分端口接入系统，便于后续系统进行分类处理[8-9]。一级电压转换部分包括一级直流降压器、一级直流升压器及一级交流开关电源。一级电压转换部分是以电压输入端口接入的电压为源电压，以中间电压为目标电压完成电压转换，其过程包括升压、降压及交流转直流。在转换方式上，交流转直流部分采用市面上技术比较成熟的交流转直流开关电源，或者利用片式AC/DC开关电源芯片完成220V市电向5V中间电压的转变[10]；而升压与降压均采用数字电路控制，是基于数字控制与传统的模拟控制相比有功耗更低，易于与数字系统接口等优点[11-12]。

根据输入输出电压的范围选定直流部分的电压转换芯片。从第2电源输入端口输入的12V、9V直流电压，通过一级直流降压器，可以转换为5V中间电压，可由芯片TPS54620实现。从第3电源输入端口输入的5V直流电压，无需经过电压变换操作，直接输入至中间电压稳压器的输入端。从第4电源输入端口输入的3.7V、3.2V、3V、1.5V和1.2V直流电，通过一级直流升压器，可以转换为5V中间电压，其中3.7V、3.2V和3V可由芯片LM3481实现，1.5V、1.2V可由LM2623A实现。中间电压稳压器对转换得来的直流信号进行滤波、稳幅，提高中间电压值的稳定性，稳压器部分利用现有集成电路厂家芯片即可，如TEXAS INSTRUMENTS公司生产的直流输入专用型高耐压串联调整式稳压器TCL783C[13]。在中间电压稳压器后连接二级电压转换部分，包括二级直流升压器、正负电压转换器及二级直流降压器，连接顺序为先经过升压、降压处理，再进行正负电压转换。二级直流升压、降压器与一级直流升压、降压器相似，均采用数字芯片控制，只是根据电压转换源电压与目标电压的范围采用了不同的芯片。正、负电压转换部分可采用门电路IC制作，也可利用目前较为成熟的芯片获得更好的效果[14]。

具体来说，5V中间电压通过二级直流升压器，可以转换为9V直流电压，可由第1电源输出端口输出，由芯片TPS61175实现升压。5V中间电压通过二级直流升压器或二级直流降压器211和正、负电压转换器210，可以转换为-9V、-5V和-3.3V直流电压，由第2电源输出端口输出；其中5V升为9V可由芯片TPS61175实现，5V降为3.3V可由芯片TPS54218实现，正、负转换部分可由芯片LM2611-ADJ实现。5V中间电压可由第3电源输出端口直接输出，得到5V直流电压。5V中间电压通过二级直流降压器可以转换为3.3V、2.5V、1.8V、1.5V和1.25V直流电压，由第4电源输出端口输出；其中3.3V和2.5V可由芯片TPS54218实现，1.8V可由芯片TPS62081实现，1.5V和1.25V可由芯片TPS54218实现。

3 讨论

本研究提供了一种用于脉搏波测量的芯片电压转换方法和系统，以解决现有脉搏波测量装置中电源需求多样而难以管理的问题。输入端可接220V交流电、12V、9V、5V、3.7V、3.2V、3V、1.5V和1.2V，基本涵盖了生活中的常用电源所提供的电压。输出端可接9V、5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V和1.25V，以及-9V、-5V和-3.3V，基本涵盖了脉搏波测量常用芯片的供电电压。若按照常规组合的做法，为了实现所有9种电压输入转换为所述的10种电压输出，需要分别实现87种(10×6＋9×3)不同电压转换；而利用本系统的方法，提供一个中间转换电压，只需要实现15种(8＋7)不同的电压转换，从而证明了该系统实现多种电压转换中的便捷性和优越性，并为可移植的多输入输出的电压转换系统提供方便、可行的方法。

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Research onVoltage conversion system for a pulse wave measuring chip

LI Kun, YANG Lin, ZHANG Song, et al// China Medical Equipment,2014,11(5):22-24.

Objective:A chipVoltage conversion system based on a star topology is raised in this paper, to manage the power of the pulse wave measuring circuit board.Methods:This system completes a series of input-outputVoltage conversion by means of setting an intermediateVoltage, it is aVoltage conversion node.Results:The system can achieve the conversion from aVariety of day-to-day supplyVoltage to the pulse wave measurement chipVoltage, and simplifies the design of the power management circuitry to a certain extent.Conclusion:Input-outputVoltage includes the common living powerVoltage as well as chip operatingVoltage, so that the system can have good portability.

Voltage conversion; Pulse wave; Noninvasive measurement; MediumVoltage

1672-8270(2014)05-0022-03

R318.6

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.05.008

2013-10-31

北京市教育委员会科技成果转化和产业化(PXM2013_014204_07_000069)“下肢血管功能无创检测技术(糖尿病足检测仪)的产业转化”

①北京工业大学生命科学与生物工程学院 北京 100124

*通讯作者: yanglin@bjut.edu.cn

[First-author’s address]College of Life Science and Bioengineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China.