[TECH REPORT] 광혈류 측정 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용 전원장치 서브시스템 ②

[아날로그 디바이스=펠리페 네이라·마크 스미스] 총 2부로 구성되는 이 글에서는 뛰어난 시스템 신호대 잡음비 성능이 요구되는 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용으로 설계 및 검증된 스위치 모드 전원 회로 설계를 소개한다. 

1부에서는 최상의 성능을 달성하도록 설계된 디스크리트 솔루션에 관해서 설명하고, 2부에서는 공간 제약적 애플리케이션용으로 적합하게 설계된 집적화된 솔루션에 관해서 설명한다. 

총 2부로 구성되는 이 연재물에서는 뛰어난 시스템 신호대 잡음비(SNR) 성능이 요구되는 광혈류 측정(photoplethysmogram, PPG) 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용으로 개발 및 검증된 전원장치 회로 설계를 소개한다.
PPG 장비는 혈류량 변화를 측정함으로써 이로부터 혈중 산소포화도나 심박수 같은 생체지표 정보를 도출할 수 있다. 

1부에서는 아나로그디바이스(Analog Devices, ADI)의 MAX86171 광학식 맥박 산소포화도 측정 및 심박수 센서 아날로그 프론트 엔드(AFE)를 기반으로 한 PPG 장비에서 최상의 성능을 달성하도록 설계된 디스크리트 전원장치 회로 설계 솔루션에 대해서 설명했다. 

2부에서는 MAX86141 광학식 맥박 산소포화도 측정 및 심박수 센서 AFE(MAX86171과도 함께 사용 가능)를 사용해 공간 제약적 애플리케이션에 적합하도록 설계된 통합 솔루션을 소개한다. 

1부에서도 언급했듯이 ADI는 설계 엔지니어의 개발 작업을 간소화할 수 있게, 각각의 바이오센싱 AFE 디바이스에 대해서 신호대 잡음비(SNR) 성능을 보장하면서 자체적으로 성능이 검증된 전원장치 서브시스템 회로 설계를 제공한다. 1부에서는 디스크리트 솔루션에 대해서 설명했고, 이제 2부에서는 공간 제약적 애플리케이션용으로 적합한 통합 솔루션에 대해서 설명한다.

각각의 사례별 전원장치 회로를 소개하고 그에 따른 검증 시의 체크리스트와 문제 해결 지침들을 설명한다. 그림 1은 원격 환자 모니터링 애플리케이션의 표준 전원 블록 다이어그램을 보여준다.

집적화 설계
이 DC-DC 전원 관리 IC(PMIC) 설계는 단일 IC를 사용해 원격 환자 생체지표 모니터링 시스템에 사용하도록 3개의 출력 레일을 지원한다. 이 IC는 단일-인덕터를 이용한 다중-출력(SIMO) 벅-부스트 레귤레이터를 제공하는 특징을 가지며 단일 인덕터로 여러 전원 레일을 제공할 수 있으므로 총 전원 솔루션 크기를 최소화하면서도 우수한 효율의 솔루션을 제공한다.

이 회로는 라인 및 부하 레귤레이션을 하면서, 바이오센서의 신호대 잡음비(SNR) 성능을 방해하지 않도록 낮은 출력 잡음을 유지한다. 또한 재충전가능 리튬 폴리머 배터리를 사용하여 동작 가능하며, 그림 2는 집적화된 전원 디바이스를 사용한 PPG 서브시스템을 보여준다.

PMIC를 사용하는 1.8V/1.8V/5.0V SMPS 회로
아래 회로는 MAX77642 PMIC를 사용한 것으로서 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에서 SMPS 디바이스를 적절히 작동시키기 위한 통상적인 입력 및 출력 레벨을 보여준다. 그림 3에서 보듯이, 디지털 멀티미터(DMM)를 사용해 입력 포트와 출력 포트를 탐침해서 전압을 측정할 수 있다. 이 전원장치 출력 레벨은 배터리 방전과 가변 부하(예: 디바이스 모드 전환, 슬립 모드로부터 기동 등) 같은 여러 요인들에 의해 달라질 수 있다. 

그림 4는 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에서, 집적화된 MAX77642 PMIC를 어떻게 사용하는지 보여준다.

아래 회로의 문제 해결 가이드(그림 5)는 1.8V/1.8V/5.0V SMPS 회로를 작동했을 때 문제가 발생할 경우 설계 엔지니어에게 도움을 주기 위한 것으로서, 이들 집적화된 스위치 모드 전원공급 장치(SMPS)를 구현할 때 발생할 수 있는 가장 일반적인 문제들을 다루고 있다. 

MAX77642 SMPS 회로의 문제 해결:
1단계 – 입력 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 디지털 멀티미터(DMM)를 사용해서 MAX77642 디바이스 입력 전압을 측정한다. ‘검정색’ 마이너스 리드는 접지에 연결하고, ‘빨간색’ 플러스 리드는 이 디바이스의 입력 “IN” 핀에 연결한다. 이 입력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 리드들을 입력 커패시터 CIN에 연결한다.

2단계 – 인덕터 신호 파형 확인: 오실로스코프 또는 디지털 저장 스코프(DSO)를 사용해서 MAX77642 디바이스의 LXA 핀을 탐침한다. 이 입력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 프로브를 (LXA) 인덕터 끝에 있는 커패시터에 연결한다.

* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz이어야 한다.

이 회로가 정상적으로 작동한다면 파형은 그림 6에서 보이는 것처럼 상승 및 하강 에지 상에 최소한의 링잉을 갖는 일련의 펄스파의 모습일 것이다.

펄스 파형을 보면, 3개의 SMPS가 하나의 인덕터를 공유해서(SIMO 전원공급) 시간 분할 다중화로 동작한다는 것을 알 수 있다

이상적인 펄스파형과 비교했을 때 나타나는 차이점을 이용해 많은 문제들을 효과적으로 진단 및 해결할 수 있다.

3A 단계 – 출력 DC 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 DMM을 사용해서 MAX77642 디바이스의 3개 출력에서 전압을 측정한다. ‘검정색’ 마이너스 리드는 접지에 연결하고, ‘빨간색’ 플러스 리드는 이 디바이스의 해당 SSBx 채널 출력 “OUT” 핀에 연결한다. 이 출력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 리드들을 출력 커패시터 COUT에 연결한다.

3B 단계 – 출력 AC 전압 확인: 오실로스코프 또는 DSO를 사용해서 MAX77642 디바이스의 3개 출력을 탐침하여 이번에는 출력 리플(AC)을 측정한다. 출력을 정확하게 측정하고 RF 픽업을 피하기 위해 차동 기법(differential technology)을 사용할 것을 권장한다.

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

이 회로가 정상적으로 작동한다면 SSB0 파형은 1.8VDC (디지털) 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 7은 이 리플 파형을 보여준다.

이 회로가 정상적으로 작동한다면 SSB1 파형은 1.8VDC (아날로그) 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 8은 이 리플 파형을 보여준다.

이 회로가 정상적으로 작동한다면 SSB2 파형은 5.0VDC (LED용) 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 9는 이 리플 파형을 보여준다.

맺음말

총 2부로 이루어진 이 연재물에서는 MAX86171 또는 MAX86141을 기반으로 한 PPG 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에 사용하도록 개발 및 검증된 전원장치 설계를 소개했다. 1부에서는 디스크리트 솔루션에 대해서 설명했고, 2부에서는 집적화된 솔루션에 대해서 설명했다.

집적화된 솔루션과 디스크리트 솔루션 모두가 PPG 성능을 잘 뒷받침하는데, 집적화된 솔루션은 풋프린트를 축소하고 부품 수를 줄일 수 있으므로 크기에 있어서 제약이 따르는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

아나로그디바이스 웹사이트 ‘원격 환자 생체지표 모니터링 시스템용 전원장치 서브시스템’에서는 이들 디스크리트 및 집적화된 전원장치 구현에 관한 검증 테스트 데이터를 볼 수 있다.