在低功耗電池供電應用中，成本是首要考量。如體溫計及胰島素幫浦等可攜式醫療裝置，成本同樣也是重要的因素，因為產品須要定期更換，以確保效能準確可靠。
除了某些可攜式系統可能只需電池之外，絕大多數系統都需要電池和數個電源轉換器，將可變電池電壓轉換為不同電路可用的調節輸出電壓。對於特定醫療裝置的不同電路，設計人員通常會需要兩個不同的輸出電壓。本文提供替代兩個個別電源轉換器的方法，並且詳盡說明電源轉換器產生一次側輸出電壓所用的輔助電容幫浦(Auxiliary Charge-pump)電路，如何輸出低成本的二次側輸出電壓，為設計人員降低系統成本。
延長行動醫療裝置使用時間 步降轉換器立功
以一般電池供電的系統為例，胰島素幫浦可能需要200毫安培(mA)、1.8伏特(V)用於處理器，同時也可能需要5mA、2.5V用於靈敏的類比電路，例如電壓參考或感測器。由於1.8V的需求大約占總輸出功率的96.5%，須使用兩顆串聯的AA電池。AA電池的成本相當低，而且方便取得，因此糖尿病患者很容易就能夠更換電池，完全不影響系統的效能。
每一顆全新AA電池的電壓大約1.6V，電量用盡時約剩下1V。在這個配置中，系統的輸入電壓從3.2V降低到2V，這相當適合1.8V的步降轉換器。這類步降轉換器能夠有效延長電池使用時間，而且經過整合即可減少其他所需的元件數及相關成本，因此也降低產品本身的製造成本。目前已有半導體業者的步降轉換器能夠發揮94%的效率，且只需三個小型低成本外部元件即可達成此一效果。
至於電源轉換器要達到2.5V電壓則較為困難，因為到2?3.2V之間的輸入電壓，會在所需的輸入電壓臨界值之間變化。將輸入電壓升壓或降壓的電路是必要的元件，但是升壓和降壓功能顯然會使成本增加。另外一個障礙，則是將電源供應給胰島素幫浦的類比電路所需的低雜訊。
電源轉換器拓撲各有優劣
有幾種不同的電源轉換器拓撲可達到2.5V需求，這些都有成本、效率及雜訊效能等方面的優缺點。以其中三種為例，首先是電池直接供電的降壓升壓電容幫浦轉換器；其次為電池供電並使用線性穩壓器的步升轉換器；第三是由步降轉換器供電，並使用線性穩壓器的輔助電容幫浦電路。
實作電池直接供電的個別調節電容幫浦轉換器是最直接的方法。此一方法需要降壓升壓電容幫浦，才能將電池電壓降壓或升壓。當電池放電時，輸出電壓約為2.5V。例如有些轉換器的電容幫浦只需要三個外部電容，配置非常簡單卻能夠完全整合，但缺點是需要另一個半導體裝置，使得成本增加。此外，這類低輸出電流的效率大約只有50%，因此電池壽命容易縮短。最後，電容幫浦的雜訊效能可能不能滿足用電靈敏的類比電路需求，造成感測器讀數較容易不正確，或造成胰島素幫浦的參考電壓不準確，使得裝置效能明顯受影響。另外，也可能需要其他輸出濾波器，因此電源轉換器的成本及複雜度大幅提升。
第二種電源轉換器拓撲採用步升轉換器，將電池電壓升壓到所需2.5V以上，並且保持恆定，再採用線性穩壓器將電壓降低到所需的程度。由於大多數步升轉換器的設計的輸入電壓不能高於輸出電壓，因此步升轉換器的輸出電壓應該要設定為高於最大電池電壓，這樣可以確保運作功能條件。
舉例來說，將步升轉換器的電壓設定為3.3V，可以使線性穩壓器有餘量(Headroom)將電壓降低到2.5V。餘量是指線性穩壓器的輸入與輸出之間的電壓差異，應該大於0.5V才能達到良好的雜訊效能。此一餘量可以提升線性穩壓器的雜訊特性，並且提供極為穩定的2.5V，相當適合胰島素幫浦的靈敏類比感測器或者電壓參考。
優異的步升轉換器在5mA運作時可達到大約90%的效率，而線性穩壓器的效率在3.3V轉換為2.5V時只有75%。因此，拓撲的整體效率大約是68%。高整合度的步升轉換器需要兩個電容和一個電感，而線性穩壓器需要兩個以上的電容。這些額外的元件結合兩個半導體裝置，所組成的電源轉換器可達到高效能，但是成本相當高。
輔助電容幫浦電路助陣 步降轉換器效能倍增
如圖1所示，第三種可達到2.5V的電源轉換器拓撲，主要以步降轉換器運作，並且使用輔助電容幫浦及線性穩壓器調節輸出電壓。步降轉換器一般是以電感、C1及C2進行配置，可以在200mA下達到1.8V輸出。
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| 圖1 使用步降轉換器及輔助電容幫浦供應調節的1.8V及2.5V電路 |
C3、D1、D2及C4是輔助電容幫浦電路，可產生VIN，而且輸出電壓為1.8V，但是C4會出現兩個二極體降幅。假設二極體降幅各為0.3V，這個電容幫浦的輸出將在3.2V與4.4V之間變化，這是因為電池電壓變化所致，相當適合用來供電給線性穩壓器，而且所需的餘量可以充分清除電容幫浦輸出的雜訊。此一拓撲唯一需要的額外半導體裝置是低成本線性穩壓器。線性穩壓器相當簡單，成本低於電容幫浦或步升轉換器等的切換式轉換器，而且需要的外部元件較少。輔助電容幫浦需要的三個額外電容及兩個二極體，都是小型低成本的離散元件。
電容幫浦的效率能以量化表現，是因為切換動作已經由步降轉換器完成，包含在達到1.8V的耗損中。假設電路的C3、C4、D1及D2達到80%的效率，而且線性穩壓器平均的3.8V輸入達到66%的效率，則達到2.5V的整體效率大約為53%。
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| 圖2 低成本電源供應的效率分析 |
整個電路、步降轉換器以及輔助電容幫浦與線性穩壓器，在最低輸入電壓(2V)及2.5V輸出的1mA負載下運作，所測得的效率恆定保持在88%(圖2)。高系統效率有助於延長電池壽命。除此之外，線性穩壓器將清除輔助電容幫浦電路的切換雜訊，在調節後供電給高度靈敏的類比參考電壓或感測器。
在探討的三種電源轉換器中，輔助電容幫浦的成本最低，而且可達到充分的雜訊效能，能夠供電給胰島素幫浦的靈敏類比電路。輔助電容幫浦本身的效率在理論上不高，但是，由於僅占總輸出功率的3.5%，對於系統電池壽命所造成的影響不大。有鑑於輔助電容幫浦較不複雜，不需要高成本的切換式半導體裝置，因此需要的外部元件也較少，這樣的優勢對於注重成本的醫療電子系統而言，是相當可行的低成本電源供應解決方案，而設計人員亦可在最短時間內將產品成功開發出來。
(本文作者任職於德州儀器)