[TECH REPORT] 광혈류 측정 원격 환자 모니터링 애플리케이션용 전원 서브시스템 ①

[아날로그 디바이스=펠리페 네이라·마크 스미스] 이 기고문에서는 1, 2부로 나눠 뛰어난 시스템 신호대 잡음비 성능이 요구되는 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용으로 설계된 스위치 모드 전원 회로 설계를 소개한다. 

1부에서는 최상 성능을 달성하도록 설계된 디스크리트 솔루션에 관해서 설명한다. 2부에서는 공간 제약적 애플리케이션용으로 적합하게 설계된 집적화된 솔루션에 관해서 소개한다. 

▲광혈류 측정(photoplethysmogram, PPG) 시스템에 적합한 전원장치 구성 및 선택 방법 ▲스위치 모드 전원장치(SMPS) 레퍼런스 회로 구현 방법으로서 디스크리트 설계(1부)와 통합 설계(2부) 방식 비교 ▲서로 다른 활용 사례와 부하 조건에서 시스템 검증을 위한 전원장치 성능 테스트 방법론 ▲회로 구현 검증을 위한 체크리스트 ▲회로 구현과 관련해 발생하는 문제들에 대한 해결 방안을 알아본다.

기고에서는 뛰어난 시스템 신호대 잡음비(SNR) 성능을 요구하는 광혈류 측정(photoplethysmogram, PPG) 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용으로 개발 및 검증된 전원장치 회로 설계를 소개한다. PPG 장비는 혈류량 변화를 측정해 혈중 산소포화도나 심박수 같은 생체지표 정보를 도출할 수 있다.
 
1부에서는 아나로그디바이스(Analog Devices, ADI) MAX86171 광학식 맥박 산소포화도 측정 및 심박수 센서 아날로그 프론트 엔드(AFE) 기반 한 PPG 장비에서 최상의 성능 달성을 위해 설계된 디스크리트 전원장치 회로 설계 솔루션에 대해서 알아본다.

2부에서는 공간 제약적 애플리케이션용으로 적합한 통합 솔루션에 대해 소개한다.

웨어러블 의료 및 헬스케어 애플리케이션에서는 크기 제약, 전력 효율 등의 이유로 스위치 모드 전원장치(SMPS, 일명 DC-DC 컨버터)가 주로 사용된다. 이를 사용해 배터리 구동 제품을 설계하면 배터리 시간을 연장할 수 있다. 

하지만 설계 엔지니어에게는 자신이 설계하는 시스템에서 적합한 SMPS 디바이스를 선택하고 회로 보드 레이아웃을 적절하게 설계하는 것이 여전히 과제다.

이러한 과정을 돕기 위해 ADI는 바이오센싱 AFE 디바이스의 신호대 잡음비 성능을 방해하지 않도록 사전에 충분히 검증된 전원장치 서브시스템 회로 설계를 제공한다. 

이 글에서는 이러한 전원장치 설계를 각각의 구현 사례와 함께 설명하고, 이와 더불어 회로 설계 엔지니어를 돕기 위한 점검 리스트와 문제 해결을 위한 안내 지침을 소개한다. 

그림 1은 많은 원격 환자 모니터링 애플리케이션의 표준 전원 블록 다이어그램을 보여준다.

이 DC-DC 컨버터 설계는 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션을 위해 3개의 출력 전원 레일을 레귤레이트(조정)한다. 이 회로는 적절한 라인 및 부하 레귤레이션을 하는 동시에 바이오센싱 SNR 성능을 방해하지 않도록 낮은 출력 잡음을 유지한다. 이러한 동작을 위한 전원은 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 셀 일차 전지로부터 공급받는다. 

그림 2는 디스크리트 전원공급 장치를 사용하는 PPG 서브시스템을 보여준다.

nanoPower 벅 컨버터를 사용하는 1.8V SMPS 회로

아래 회로는 MAX38640A nanoPower 벅 컨버터(그림 3)를 사용한 것이다. 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에서 SMPS 디바이스를 적절히 작동하기 위한 통상적인 입력 및 출력 레벨을 보여준다. 

그림 3에서 보듯 디지털 멀티미터(DMM)를 사용해 입력 포트와 출력 포트를 탐침, 공급 전압 레벨을 확인 가능하다. 전원장치 출력 레벨은 배터리 방전이나 변동적인 부하(디바이스 모드 전환, 슬립 모드로부터 기동 등) 같은 요인에 의해 달라질 수 있다. 

1.8V SMPS 회로 검증을 위한 체크리스트

아래의 회로 검증 체크리스트(그림 4)는 설계 엔지니어가 1.8V SMPS 회로 보드를 작성한 후에 전기적 테스트를 실시할 때 확인해야 할 항목들을 보여준다. 이 체크리스트를 제품 테스트용 기본 틀로 활용할 수 있다.

MAX38640A(1.8V 출력) SMPS 회로의 문제 해결

다음의 회로 문제해결 가이드(그림 5)는 1.8V SMPS 회로를 작동했을 때 문제가 발생할 경우 엔지니어에게 도움을 주기 위한 것이다. 이들 SMPS를 구현할 때 발생할 수 있는 가장 일반적 문제들을 다루고 있다.

MAX38640A SMPS 회로의 문제 해결

1단계 – 입력 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 디지털 멀티미터(DMM)를 사용해서 MAX38640A 디바이스의 입력 전압을 측정한다. 검정색 마이너스 리드는 접지에 연결하고 빨간색 플러스 리드는 이 디바이스의 입력 IN 핀에 연결한다. 이 입력 핀에 접근하는 것이 어려우면 리드들을 입력 커패시터 CIN에 연결한다.

2단계 – 인덕터 신호 파형 확인: 오실로스코프 또는 디지털 저장 스코프(DSO)를 사용해 MAX38640A 디바이스의 LX 핀을 탐침한다. 이 입력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 프로브를 인덕터 끝에 있는 커패시터에 연결한다.

*주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz 이상이어야 한다. 이 회로가 경부하(50mA 미만)로 동작할 때 파형은 그림 6처럼 나타날 것이다. 

이 회로가 중부하로 동작할 때 파형은 그림 7에서 보이는 것처럼 상승 및 하강 에지 상에 최소한의 링잉을 갖는 사각파일 것이다.

이 사각파의 진폭은 입력 배터리 전압과 거의 비슷할 것이다. 또 플로어 전압은 접지보다 약 200mV~300mV 낮을 것이다(예: -250mV). 

듀티 사이클은 출력 전압에 비례하므로 3.6V 입력 배터리 전압으로 1.8V 출력 전압을 발생할 경우 듀티 사이클은 약 50%일 것이다. 그림 8은 듀티 사이클과 출력 전압의 관계를 보여준다.

이상적인 사각 파형과 비교했을 때 나타나는 차이점을 이용해 많은 문제를 효과적으로 진단하고 해결할 수 있다.

3A 단계 – 출력 DC 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 DMM을 사용해서 MAX38640A 디바이스 출력에서 전압을 측정한다. ‘검정색’ 마이너스 리드는 접지에 연결하고 ‘빨간색’ 플러스 리드는 이 디바이스의 출력 OUT 핀에 연결한다. 이 출력 핀에 접근하기 어려우면 리드들을 출력 커패시터 COUT에 연결한다.

3B 단계 – 출력 AC 전압 확인: 오실로스코프 또는 DSO를 사용해 MAX38640A 디바이스의 OUT 핀을 탐침, 이번에는 출력 리플(AC)을 측정한다. 출력을 정확하게 측정하고 RF 픽업 최소화를 위해 10x 피그 테일 프로브 사용을 권장한다. 차동 능동 프로브를 사용하면 주변 잡음을 더욱 더 낮출 수 있다.

* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz 이상이어야 한다.

이 회로가 정상적으로 작동한다면 파형은 1.8VDC 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 9는 이 리플 파형을 보여준다.

저잡음 벅-부스트 컨버터를 사용한 5.0V SMPS 회로

아래 회로는 MAX20343H 저잡음 벅-부스트 컨버터를 사용한 것이다. 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에서 SMPS가 정상적으로 동작할 때 통상적인 입력 및 출력 레벨을 보여준다. 

그림 10에서 보듯 DMM을 사용해 입력 포트와 출력 포트를 탐침해 공급 전압 레벨을 확인할 수 있다. 전원장치 출력 레벨은 배터리 방전이나 변동적인 부하(디바이스 모드 전환, 슬립 모드로부터 기동 등) 같은 여러 요인에 의해 달라질 수 있다.

5.0V SMPS 회로 검증을 위한 체크리스트

아래의 회로 검증 체크리스트는 설계 엔지니어가 5.0V SMPS 회로 보드를 작성한 후에 전기적 테스트를 실시할 때 확인해야 할 항목들이다. 이를 제품 테스트용 기본 틀로 활용할 수도 있다.

5.0V SMPS 회로의 문제 해결 가이드

다음의 회로 문제 해결 가이드(그림 11)는 5.0V SMPS 회로를 작동했을 때 문제가 발생할 경우 설계 엔지니어를 돕기 위한 것이다. 이들 SMPS를 구현할 때 발생할 수 있는 가장 일반적인 문제들을 다루고 있다.

MAX20343H SMPS 회로의 문제 해결

1단계 – 입력 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 DMM을 사용해서 MAX20343H 디바이스의 입력 전압을 측정한다. 검정색 마이너스 리드는 접지에 연결하고 빨간색 플러스 리드는 이 디바이스의 입력 IN 핀에 연결한다. 이 입력 핀에 접근하는 것이 쉽지 않으면 리드들을 입력 커패시터 CIN에 연결한다.

2단계 – 인덕터 신호 파형 확인: 오실로스코프 또는 DSO를 사용해서 MAX20343H 디바이스의 HVLX 핀을 탐침한다. 이 입력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 프로브를 인덕터 끝에 있는 커패시터에 연결한다.

* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz 이상이어야 한다.

이 회로가 정상적으로 작동한다면 파형은 그림 12에서 보이는 것처럼 상승 및 하강 에지 상에 최소한의 링잉을 갖는 펄스파일 것이다.

500ns 펄스파 진폭은 입력 배터리 전압과 거의 비슷할 것이다. 이 펄스파 플로어 전압은 접지의 100mV 이내일 것이다. 출력 주파수와 펄스파의 듀티 사이클은 부하 전류에 비례한다. 그림 13과 그림 14는 서로 다른 부하 조건에서 출력파와 신호 주파수를 보여준다.

3A 단계 – 출력 DC 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 DMM을 사용해서 MAX20343H 디바이스 출력에서 전압을 측정한다. 검정색 마이너스 리드는 접지에 연결하고, 빨간색 플러스 리드는 이 디바이스 출력 OUT 핀에 연결한다. 이 출력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 리드들을 출력 커패시터 COUT에 연결한다.

3B 단계 – 출력 AC 전압 확인: 오실로스코프 또는 DSO를 사용해 MAX20343H 디바이스 OUT 핀을 탐침해 이번에는 출력 리플(AC)을 측정한다. 출력을 정확하게 측정하고 RF 픽업을 최소화하기 위해 10x 피그 테일 프로브 사용을 권장한다. 차동 능동 프로브를 사용하면 주변 잡음을 더 낮출 수 있다.

* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz 이상이어야 한다.

이 회로가 정상적으로 작동한다면 파형은 1.8VDC 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 15는 이 리플 파형을 보여준다.

맺음말

이 글은 총 2부로 구성된 연재물의 1부다. MAX86171을 기반으로 한 PPG 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에 사용하도록 사전에 설계 및 검증된 디스크리트 전원장치 회로 설계를 소개했다. 이 전원공급 장치 회로 설계는 MAX86141 기반의 PPG 디바이스에도 사용할 수 있다.

2부에서는 MAX86171 기반 및 MAX86141 기반 PPG 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에 사용하도록 사전에 설계 및 검증된 통합 전원장치 회로 설계에 대해 알아본다.