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Analog Devices Damit tragbare Medizingeräte immer unter Strom sind

Autor / Redakteur: Tony Armstrong / Kathrin Schäfer

Tragbare und drahtlose medizinische Überwachungsgeräte erfordern eine ununterbrochene Stromversorgung auch bei einem Ausfall der Netzversorgung. Superkondensatoren eignen sich hervorragend für Systeme, die für kurze Zeit eine leistungsstarke Hilfsstromversorgung benötigen.

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Komponenten wie der kleine und rauscharme, monolithische Abwärts-Gleichspannungswandler LTC3309A von Analog Devices lassen sich in portablen und drahtlosen Medizingeräten verbauen.
Komponenten wie der kleine und rauscharme, monolithische Abwärts-Gleichspannungswandler LTC3309A von Analog Devices lassen sich in portablen und drahtlosen Medizingeräten verbauen.
(Bild: ©miccolino - stock.adobe.com)
  • Stromversorgungen für thermisch und räumlich eingeschränkte medizinische Systeme
  • Kleiner und rauscharmer, monolithischer Abwärts-Gleichspannungswandler

Bekanntermaßen können Superkondensatoren eine hohe Spitzenleistung liefern, was sie prädestiniert für Systeme, die für kurze Zeitspannen eine Hilfsversorgung mit großer Leistung benötigen. Ein Beispiel ist der LTC4041 der Power-
by-Lines-Designgruppe von Analog Devices, dessen integrierter bidirektionaler Synchronwandler als Abwärtswandler ein effizientes Aufladen des Superkondensators erlaubt und der im Betrieb als Aufwärtswandler eine gleichermaßen effiziente Hilfsstromversorgung darstellt. Steht eine externe Stromversorgung zur Verfügung, arbeitet der Baustein als Abwärts-Ladeschaltung für eine oder zwei Superkondensator-Zellen, wobei der Systemversorgung der Vorrang gegeben wird. Sobald die eingangsseitige Versorgung unter die einstellbare PFI-Schwelle (Power Fail Indicator) fällt, wechselt der LTC4041 in den Aufwärtswandler-Modus und kann aus dem oder den Superkondensator(en) bis zu 2,5 A an den Systemverbraucher abgeben. Kommt es zu einem Stromausfall, sorgt die Power-
Path-Steuerung des Bausteins für die Unterbindung von Rückströmen und ein reibungsloses Umschalten von der externen Versorgung auf die Hilfsstromversorgung. Zu den typischen Anwendungen des LTC4041 gehören „Dying Gasp“-Stromversorgungen, wie man sie üblicherweise in medizinischen Ausrüstungen vorfindet.

Für die Designer von Stromversorgungen für thermisch und räumlich eingeschränkte medizinische Systeme ist ein kürzlich eingeführtes Produkt interessant. Es handelt sich um einen kleinen, kompakten und effizienten 5-V-Abwärtsregler, der durch seinen hohen Umwandlungswirkungsgrad die thermischen Restriktionen entschärft und zusätzlich durch den geringen Platzbedarf und das niedrige Höhenprofil der Gesamtlösung überzeugt.

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Die PbL-Gruppe von Analog Devices präsentierte den LTC3309A jüngst speziell für Designs mit räumlichen und thermischen Restriktionen. Der LTC3309A ist ein äußerst kleiner und rauscharmer, monolithischer Abwärts-Gleichspannungswandler, der aus einer Eingangsspannung von 2,25 bis 5,5 V bis zu 6 A Ausgangsstrom bereitstellen kann. Das Bauelement basiert auf der Silent-Switcher-Architektur mit externen Hot-Loop-Bypass-Kondensatoren, um bei Schaltfrequenzen bis zu 3 MHz auf ein niedriges EMI-Niveau und einen hohen Wirkungsgrad zu kommen.

Klein und effizient muss kein Widerspruch sein

Der LTC3309A ist ein mit konstanter Frequenz schaltender, stromgeregelter Abwärts-Gleichspannungswandler. Am Beginn eines jeden Taktzyklus schaltet ein Oszillator den oberen der beiden internen Leistungsschalter ein, woraufhin der Strom in der Induktivität ansteigt, bis der Stromkomparator des oberen Schalters anspricht und diesen abschaltet. Der maximale Spulenstrom, bei dem der obere Schalter abschaltet, wird durch die Spannung am Knoten ITH bestimmt. Der Fehlerverstärker reguliert die Spannung am Knoten ITH auf der Basis eines Vergleichs zwischen der Spannung am FB-Pin mit der internen Referenzspannung von 500 mV. Nimmt der Laststrom zu, so bewirkt dies einen Rückgang der Spannung am FB-Pin, was den Fehlerverstärker zur Anhebung der ITH-Spannung veranlasst, bis der mittlere Spulenstrom dem neuen Laststrom entspricht. Sobald der obere Leistungsschalter abschaltet, schaltet der Synchron-Leistungsschalter ein, bis der nächste Taktzyklus beginnt oder bis im Pulse-Skipping-Modus der Spulenstrom null wird.

Ohne Zweifel stehen die Designer tragbarer, drahtloser medizinischer Überwachungsgeräte für die häusliche Patientenüberwachung vor großen Herausforderungen. Unter anderem gilt es eine Vielzahl von Restriktionen zu beachten, die sich teils gegenseitig auszuschließen scheinen. Beispiele sind die thermischen und räumlichen Restriktionen der Gehäuse sowie die Fähigkeit zur Übertragung von Daten ohne Störungen oder Unterbrechungen. Mit den Bausteinen LTC3309 und LTC4041 möchte Analog Devices Designern die Realisierung tragbarer Lösungen ermöglichen, die der Forderung nach kleinen, kompakten und thermisch effizienten Systemen nachkommen.

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* Der Autor: Tony Armstrong ist Business Development Director bei Analog Devices Inc.

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