무선 의료용 계측기에 이상적인 새로운 전력 IC


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글/토니 암스트롱(Tony Armstrong), 전력 제품 사업부 제품 마케팅 디렉터, 리니어 테크놀로지


들어가며

다른 많은 애플리케이션과 마찬가지로 저전력의 정밀 부품은 휴대형 및 무선 의료용 계측기의 급속한 성장을 가져왔다. 그러나 이러한 유형의 의료용 제품은 일반적인 애플리케이션과 달리 신뢰성과 지속 시간, 견고성에 대한 훨씬 높은 표준을 갖는다. 이와 같은 요구의 많은 부분은 전력 시스템과 그 부품에 전가된다. 의료용 제품은 AC 주 전원, 배터리 백업, 심지어 하베스팅 주변 에너지원을 포함한 다양한 전원에서 적절히 동작하고 매끄럽게 전환해야 한다. 뿐만 아니라 장시간에 걸쳐 다양한 오류 조건으로부터 견디고 보호되어야 하며, 배터리 구동 시 동작 시간을 극대화하고, 유효 전원이 존재할 경우 항상 신뢰할 수 있는 정상적인 시스템 동작을 보장해야 한다.
현재 휴대형 및 무선 의료용 계측기의 성장을 촉진하는 주요 동향 중 하나는 환자 진료와 관리이다. 특히 환자의 가정에서 원격 모니터링 시스템의 사용이 증가하고 있다. 이러한 증가의 주된 원인은 전적으로 경제적인 측면에서 환자를 병원에 계속 입원시키는 비용이 감당할 수 없는 수준으로 높기 때문이다. 따라서 이러한 휴대형 전자 모니터링 시스템은 대부분 환자로부터 수집된 모든 데이터를 즉시 병원의 관리 시스템에 직접 전송할 수 있도록 RF 송신기를 통합하고 있으며, 이렇게 전송된 데이터는 이후 담당 의사에 의해 검토되고 분석된다.
위의 경우를 고려하면 가정에서 사용하기 위해 환자에게 적절한 의료용 계측기를 제공하는 비용은, 관찰을 위해 환자를 병원에 입원시키는 비용에 의해 상쇄되는 것보다 크다고 보는 것이 합리적이다. 그러나 무엇보다 중요한 것은 환자가 사용하는 의료기기는 신뢰성이 높아야 할 뿐 아니라 안전해야 한다. 따라서 이러한 의료기기 제조업체와 설계자는 제품이 다양한 전원 소스에서 매끄럽게 동작하고, 환자로부터 수집되는 데이터를 무선으로 전송하는 데 있어 높은 신뢰성을 갖도록 보장해야 한다. 이는 시스템 설계자가 전력 관리 아키텍처를 견고하고 유연하면서 작고 효율적으로 구현해야 한다는 것을 의미한다.
전력 IC 솔루션
주 전원이 중단되는 경우에도 연속적인 전력 공급이 요구되는 의료용 전자 시스템에는 많은 애플리케이션이 있지만, 핵심적인 요구사항은 배터리 수명을 연장해주는 낮은 무부하 전류이다. 이에 따라 전력 IC 제조업체는 2010년부터 대기 무부하 전류가 30μA 미만인 스위칭 레귤레이터를 생산해 왔다. 실제로 리니어 테크놀로지에서 최근 출시한 제품 중에는 이 수치를 단 2.5μA까지 낮춘 제품들이 포함돼 있다. 따라서 이들 제품은 배터리 백업 의료용 시스템에 탑재하기에 매우 적합하다.
스위칭 레귤레이터는 선형 레귤레이터보다 많은 잡음을 발생시키지만, 효율은 훨씬 높다. 많은 민감한 애플리케이션에서도 스위처가 예측 가능한 방식으로 동작하는 한 잡음과 EMI 수준을 관리할 수 있다는 것이 검증되었다. 만약 스위칭 레귤레이터가 정상 모드에서 정주파수로 스위칭하고 스위칭 에지가 오버슛이나 고주파 링잉 없이 깨끗하고 예측 가능하면 EMI가 최소화된다. 소형 패키지 크기와 높은 동작 주파수는 작고 치밀한 레이아웃을 제공할 수 있으며, 이는 EMI 방출을 최소화한다. 또한 레귤레이터를 낮은 ESR 세라믹 커패시터와 함께 사용할 수 있는 경우, 시스템에 추가적인 잡음원이 되는 입력 및 출력 전압 리플을 모두 최소화할 수 있다.
오늘날 많은 다양한 기능의 환자 모니터링 의료기기에 들어가는 전원 레일의 수가 증가하면서 동작 전압은 계속 감소하고 있다. 그러나 많은 의료 시스템은 여전히 모터, 저전력 센서, 메모리, 마이크로컨트롤러 코어, I/O 및 로직 회로를 구동하기 위해 1.xV~8.xV의 광범위한 전압을 필요로 한다.
전통적으로 이러한 전압 레일은 스텝다운 스위칭 레귤레이터 또는 저전압 강하 레귤레이터에 의해 전원을 공급받았다. 그러나 이러한 종류의 IC는 시스템에 백업 배터리를 포함하는 구성에는 최적화되어 있지 않다. 전압을 스텝업 또는 스텝다운 할 수 있는 벅-부스트 컨버터를 사용할 경우 배터리의 전체 동작 범위를 이용할 수 있으므로 동작 마진을 증가시키고 특히 방전 프로파일의 낮은 쪽에 가까워질 때 배터리 수명을 더 오래 사용할 수 있게 하므로 배터리 사용 시간을 증가시킨다.
따라서 휴대용 의료 계측기에 사용되는, 일차전지를 포함할 수 있는 DC/DC 컨버터 솔루션은 다음과 같은 특성을 갖춰야 한다...(중략)

기사입력 : 2017-10-11

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