Gestire l’alimentazione nelle applicazioni medicali portatili

MEDICALE –

Circuiti integrati di potenza altamente compatti, ad alte prestazioni per microprocessori moderni a supporto delle apparecchiature medicali portatili.

È sempre più lungo l’elenco dei microprocessori a risparmio energetico disponibili, in grado di garantire bassi consumi e alte prestazioni a una vasta gamma di applicazioni wireless, embedded e di networking. Ciò permette agli Oem di prodotti di consumo di sviluppare dispositivi portatili più piccoli ed economici con una maggiore durata delle batterie pur con prestazioni di elaborazione molto performanti per le applicazioni multimediali. Ottenere ciò senza aumentare il consumo del sistema richiede un funzionamento a tensioni inferiori con correnti sempre in crescita. I sistemi che utilizzano gli ultimi processori “portatili” richiedono un numero elevato di rail di bassa tensione e alta corrente, tipicamente uguale o inferiore a 1,8V. Molte di queste applicazioni richiedono anche rail da 3 o 3,3 V per alimentare grandi hard disk portatili, memorie, I/O per circuiti logici esterni, ecc. Nelle applicazioni embedded tutte le tensioni di alimentazione che si interfacciano direttamente con il processore possono essere generate da dispositivi buck o Ldo, in base alle esigenze in termini di corrente. Recentemente questa combinazione tra efficienza e prestazioni elevate viene sempre più richiesta anche per le applicazioni medicali portatili. Analizzatori di sangue, apparecchi per il monitoraggio dei pazienti, telecamere esplorative, stimolatori di tessuti e ossa, sonde a ultrasuoni, pompe per liquidi, unità Ecg portatili e altri strumenti medicali portatili, richiedono livelli di efficienza energetica e potenza di elaborazione simili o addirittura maggiori di quelli dei dispositivi portatili consumer di fascia alta. In ogni caso occorre un circuito integrato altamente specializzato e ad alte prestazioni, in grado di controllare e monitorare il sistema di alimentazione del microprocessore e di garantire tutti i vantaggi, in termini di efficienza, ottenibili da questi processori, a prescindere dal tipo di applicazione. Nel caso delle applicazioni portatili la fonte di alimentazione principale è solitamente una grande batteria agli ioni di litio/polimeri a cella singola, con una tensione superiore o inferiore ai 3,3 V del sistema di alimentazione del prodotto. Applicazioni come queste richiedono un alimentatore buck-boost che generi il rail da 3,3 V. Tra gli altri problemi associati a questi sistemi sono inclusi la necessità di attivare e disattivare tutti gli alimentatori in un ordine specifico e la capacità di essere regolati dinamicamente verso l’alto o verso il basso, in base alle esigenze di elaborazione del sistema. Per il progettista di sistemi un’unica soluzione integrata in grado di soddisfare tutte le esigenze di alimentazione del microprocessore e della relativa applicazione è un enorme vantaggio. Per soddisfare queste esigenze in una vasta gamma di applicazioni occorre una soluzione per l’alimentazione a più uscite altamente flessibile, programmabile ed efficiente.

Le sfide di progettazione

• Funzionalità buck-boost - La maggior parte dei moderni sistemi elettronici richiede  rail di tensione nella gamma di +3V. L’integrazione di un buck-boost sincrono in un circuito integrato di gestione dell’alimentazione (PMIC) consente una regolazione efficace a 3,3 V su tutto il range di tensioni di ingresso (da 2,7 V a 5,5 V), offrendo un margine operativo maggiore. Tuttavia è molto più complicato raggiungere un’efficienza elevata con un design buck-boost che con un semplice convertitore Dc/Dc step-down, soprattutto se occorrono un basso rumore e una buona risposta alle variazioni di carico.

• Riduzione del calore, ottimizzazione del rendimento del sistema - Molti Pmic (Power Management Integrated Circuit) sono dotati di diversi regolatori lineari on-board. A differenza di un Ldo, un regolatore switching offre un modo più efficiente per ridurre le tensioni quando vi è una grande differenza tra tensione di ingresso e uscita e/o se la corrente di uscita è elevata. Oggi sono molto diffusi nei moderni dispositivi con uP a bassa tensione on-board. Diventa così sempre più necessario utilizzare alimentatori switching per la maggior parte dei rail di tensione. Gli Ldo, tuttavia, offrono uscite a basso rumore e buone prestazioni Psrr, per cui occorre trovare dei compromessi. In molti casi la corretta partizione del circuito integrato include entrambi i tipi di regolatori. Inoltre la regolazione dinamica dei livelli di tensione del processore richiede una porta seriale, ad esempio la I2C, per comunicare le variazioni. Praticamente tutti i moderni processori portatili di fascia alta supportano questa funzione il cui uso, tuttavia, richiede una soluzione altrettanto flessibile e programmabile.

L’alimentazione nelle apparecchiature medicali portatili
Come in molte altre applicazioni, i componenti di precisione a basso consumo hanno comportato una rapida crescita anche delle apparecchiature medicali portatili che hanno standard molto elevati in termini di affidabilità, durata delle batterie e solidità, oltre che di leggerezza. In sintesi il progettista di sistemi elettromedicali deve affrontare le seguenti sfide principali:
•    integrazione di regolatori buck-boost
•    compensazione della dissipazione di calore con l’elevato livello di integrazione di più regolatori di commutazione e Ldo
•    integrazione del controllo I2C dinamico
•    affidabilità e solidità dei sistemi di dispositivi medicali
•    dimensioni e ingombro delle soluzioni

Un Pmic ad alta potenza per processori moderni
L’LTC3589 proposto da Linear Technology è una soluzione completa per la gestione dell’alimentazione per processori basati su Arm e sistemi di microprocessori portatili avanzati. Il dispositivo contiene:
•    tre convertitori buck sincroni da 1A, 1A e 1,6A (per core, memoria e rail SoC).
•    un regolatore buck-boost sincrono da 1,2A (per I/O tra 2,5V e 5V)
•    tre regolatori Ldo da 250mA (per alimentatori analogici a basso rumore).
•    Unaporta seriale I2C per controllare l’abilitazione dei regolatori, i livelli di tensione in uscita, la regolazione dinamica della tensione con DAC e dello slew rate, le modalità operative e la segnalazione di stato.
•    Avvio dei regolatori in sequenza collegando le uscite per attivare i pin nell’ordine desiderato o mediante la porta I2C.
•    Accensione, spegnimento e ripristino del sistema sono controllate da un’interfaccia a pulsante, ingressi pin o interfaccia I2C. Il controllo della tensione e i circuiti di scarica attivi garantiscono un regolare spegnimento prima che la sequenza di attivazione successiva e i regolatori selezionati possano essere esentati dal comando a pulsante per le alimentazioni, ad esempio la memoria quando deve rimanere attiva in modalità stand-by. L’LTC3589 supporta i processori i.MX, Pxae Omap con otto rail indipendenti a livelli energetici adeguati, con controllo dinamico e sequencing. Tra le altre funzioni sono inclusi segnali di interfaccia come il pin Vstb che passa dall’esecuzione programmata alle tensioni di uscita in stand-by su un massimo di quattro rail contemporaneamente. Il dispositivo è disponibile in un package QFN-40 da 6 mm × 6  a basso profilo.
Le frequenze di switch degli step-down di 2,25 o 1,125 MHz vengono selezionate in modo indipendente, inclusa la messa in fase, per ciascun regolatore che usa i registri I2C. La frequenza predefinita è di 2,25 MHz e comprende regolazioni dei fronti di commutazione per la riduzione delle interferenze Emi.
Le tre modalità operative dei regolatori step-down - pulse-skipping, Burst Mode o continuous mode - vengono impostate con l’interfaccia I2C. Nella modalità pulse-skipping il regolatore supporta il duty cycle al 100%. Il funzionamento Burst Mode garantisce la massima efficienza con carichi in uscita bassi. La modalità continua forzata riduce al minimo il ripple della tensione in uscita con carichi leggeri con un ottimo controllo dinamico dello slew rate tra i valori di uscita della tensione.
Il convertitore buck-boost a 4 switch e un solo induttore, genera una tensione di uscita programmabile tra 2,5 e 5 V, mantenendo efficienza elevata e basso rumore, con tensioni in ingresso superiori, inferiori o uguali al rail di uscita richiesto. Il funzionamento Burst Mode viene attivato dai registri di controllo I2C.

Controllo dinamico dei rail
L’LTC3589 ha funzioni di controllo I2C, regolazione dinamica della tensione e impostazioni dello slew rate della tensione selezionabili. Per abilitare il funzionamento di riferimento dei Dac di variazione del circuito integrato, i tre regolatori step-down e l’Ldo2 dell’LTC3589 hanno ingressi di riferimento dei Dac programmabili. Ogni Dac è programmabile in un range compreso tra 0,3625 e 0,75 V, con incrementi di 12,5mV e può andare a spostare la tensione nominale settata con partitore esterno.

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