TX951X系列指夹式血氧仪专用芯片介绍

发布时间:2022-09-02 浏览:9911

说到指夹式血氧仪首先要了解一下什么是血氧饱和度。血氧饱和度(SaO2)指的是人体血液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比,通俗的理解为血液中氧的浓度。血氧饱和度与心率、血压、呼吸频率、体温并称为人体最关键的五大健康指标,尤其是在此次蔓延全球的疫情下,血氧饱和度的检测尤为重要。

由国家卫生健康委办公厅、国家中医药管理局办公室联合印发的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案》中,当指氧饱和度(从手指上测量的血氧饱和度)低于 93%(健康者的指氧饱和度在 98%左右)即为重症患者,需要进行辅助呼吸治疗。

血氧浓度骤然下降成为监测病情判定病情变化一项重要依据,对于一些轻症患者,家用便携小巧的指夹式血氧仪被医生推荐,很多品牌的血氧仪线上被抢购一空。

最早一代血氧检测仪诞生于上个世纪的 30-40 年代,夹在耳朵上,二次世界大战爆发后,主要用于战机飞行员,随着飞机高度升高,空气中氧气的含量降低。在高空飞行时要监测飞行员血氧饱和程度,决定是否需要吸氧。但是,当初这个设备非常不准确。

随着测量方法的改进以及技术的更新,血氧仪的测量速度越来越快,精度也大幅提高,造型也变得十分的小巧便捷。

指夹式血氧仪测量的原理则是基于动脉搏动期间光吸收量的变化来进行计算。分别位于可见红光光谱(660 纳米)和红外光谱(940 纳米)的两个光源交替照射被测试区,微处理器计算动脉血所吸收的这两种光谱的比率,并将结果与指氧仪存储器里的饱和度数值进行比较,从而得出血氧饱和度。

指夹式血氧仪一般由微处理器、存储器(EPROM 与 RAM)、两个控制 LED 的数模转换器、对光电二极管接收的信号进行滤波与放大的器件、将接收信号数字化以提供给微处理器的模数转换器等器件组成,LED 与光电二极管放置在与患者指尖或耳垂接触的小型探针中。其中,脉搏血氧仪一般还包括小型液晶显示器。

指夹式血氧仪采用无创式红外测量技术测量手指血管中的血氧饱和度,即SpO2,并将所测试出来的结果以数字形式表示,主要显示的是实际含氧量下全氧饱和度的比值,一般用百分比表示,健康人群的典型血氧饱和度为90~100%。指夹式血氧仪根据还原血红蛋白、氧合血红蛋白在红光和近红光区域的吸收光谱不同,用两束不同波长的光照射指尖,由光敏元件获取测量信号,经处理后由两组LED显示测量结果。

TS951X系列产品是坤元微电子针对脉搏血氧检测应用方案推出的专用模拟前端,是指夹式血氧测量中数字方案的典型应用,也是数字探头的重要组成部分。芯片内置高精度的I-F转换器和LED驱动器,集成了脉搏血氧检测系统中的模拟信号处理与发光管驱动等功能电路。匹配精准的算法和合适的外壳,弱灌度可达2‰(TS9514),甚至更优。

TS951X方案的高集成度,将血氧仪的电路设计简化到了极致,不仅实现了产品的卓越性能,而且显著降低了BOM成本和生产管理成本,同时也大幅提高了产品的一致性与可靠性。目前,TS951X方案已成为行业主流方案之一。

产品特点

TS951X工作电压为2.5V~5.5V,静态电流典型值为1.25mA。电流频率I-F转换器的灵敏度为100kHz/mA

TS951X系列集成了:

  • 低噪声的电流频率转换器(I-F)

  • H桥发光控制单元

  • 模拟(TS9514)或数字(TS9517)恒流调光单元

  • 具有坤元专利的硬件去环境光单元(TS9517)

基于TS951X的数字方案和传统的模拟方案相比,有以下优点:

  • 提高集成度和可靠性,降低成本

  • 功能更完善

  • 缩短开发周期

  • 适用于低功耗场景

血氧测量方案对比

功能需求

传统方案

TS9514方案

TS9517方案

发射光切换

模拟开关或MOS开关

内部集成

内部集成

发射光强度调节

DAC+恒流源或不可调

内部集成运放,不可调

内部集成数字调光

(DAC+AMP)

接收管电流采样

I-V转换+滤波+ADC

内部集成I-F转换

内部集成I-F转换

消除环境光

算法中实现

算法中实现

集成硬件去环境光功能

电路结构

MCU+ADC+DAC+运放

MCU+TS9514

MCU+TS9517

TS9517在TS9514基础上增加了SPI数字接口,便于MCU通过SPI接口来控制LED的发光电流。TS9517集成了三线制SPI接口,分别为片选线CS、时钟CLK和数据SDI。MCU作为主机,TS9517作为从机,通信过程中只需要主机向从机发送设置命令,而没有查询指令,所以数据线只有一根SDI,精简了数据接口,节省IO口。

TS951X系列芯片内部发光管控制与恒流驱动电路包括控制红光和红外光LED亮灭的H桥电路,以及由内部放大器、MOS管、以及Rprog电阻构成的恒流源驱动电路。TS9514需要在Ref端输入电压信号,而TS9517内部集成SPI接口和DAC,只需要通过SPI设置对应的电压就能改变发光管的电流。

TS9514TS9517

       

TS951X 发光控制及恒流调光电路

 

详细参数

TS9514

TS9517

Automatic Amblient Light Cancelle

N

Y

VS/(V)

2.75.5

IDD(Typ)/(mA)

1.25

Current Responsivity(Typ)/(kHz/uA)

100

Full-Scale out   Current(Typ)/(mA)

200

PSRR/(%/V)

0.3

Nonlinearity/(%FS)

±1%

LED Control

Analog

SPI

Operating Temperature Range

-4085

 

封装及引脚定义

TS951X采用QFN-16封装,引脚定义如下图所示。

TS951X引脚定义

※典型应用

上图是TS9514的应用方案,TS9514的IR与RED引脚连接了红光LED以及红外LED,两只LED反向并联,使用红光(660nm)和红外光(905/940nm)集成在一起的光源。IN以及ANOD连接光电二极管。PROG引脚连接电流采样电阻。RED_REF以及IR_REF是配置红光及红外光LED发光电流的引脚,需要输入一个电压,通过R1、R2、R3分压得到。MCU通过RED_CS以及IR_CS控制红光LED亮还是红外光LED亮,OUT连接至MCU,输出频率表征光电二级管的电流,光电二极管的电流越大,输出频率越大。PVDD电源是需要提供给发光管的脉冲电流,故不建议与VDD共用一路电源,并且建议在PVDD和VDD引脚附近各放置一个大电容。

上图是TS9517的应用方案,与TS9514不同的是TS9517是数字调光,MCU通过CS、SDI、SCK引脚构成的SPI总线通信,控制片内的7位DAC调整发光强度。此外TS9517还具有硬件去环境光功能的引脚COE,可通过MCU的IO口控制,如果不使用该功能则接地。

※样片申请链接※

https://www.kunyuanic.com/apply.php

 

或者您也可以通过一下方式获取样片:

邮箱:sales@kunyuanic.com

电话:0512-65923982-8036