Valg og optimering af batterier i medicinsk udstyr

At vælge det bedste batteri til en bærbar medicinsk enhed er lige så vigtigt som at vælge den rette processor, trådløse chip og flashhukommelse. Et dårligt valg af energikilde kan gå alvorligt ud over ydeevnen af et ellers veldesignet produkt.

Da spændingen i alle typer batterier varierer med parametre som opladning, belastning og temperatur, er det nødvendigt med regulering for at sikre en pålidelig konstant spænding til belastningen.

Denne artikel giver et kort overblik over batterikemier, der egner sig til medicinsk udstyr. Derefter introduceres spændingsreguleringsmuligheder fra Analog Devices, og en praktisk applikation viser, hvordan de anvendes.

Forståelse af batteriets egenskaber

Følgende parametre påvirker valget af batteri til et medicinsk produkt:

• Behov for et primært eller sekundært (genopladeligt) batteri
• Batteristørrelse, spænding, indre modstand, kapacitet og specifik energi
• Batteriets elektrokemi
• Gældende regler

Primære batterier har en lavere selvafladningsstrøm end sekundære celler. Det gør dem mere velegnede til systemer, hvor der går lang tid mellem hver brug. Ulempen er, at det er nødvendigt at udskifte og bortskaffe cellen, når den er afladet.

Sekundære batterier er bedre egnet til applikationer med relativt højt strømforbrug. De er generelt dyrere end primære celler, og systemkompleksiteten øges på grund af behovet for at indbygge opladningskredsløb.

Systemets dimensioner er med til at bestemme begrænsningerne for batteriets fysiske størrelse, mens den ønskede batterilevetid og systemets gennemsnitlige strømforbrug er med til at bestemme den nødvendige kapacitet. Større specifik energi (kilojoule pr. kilogram (kJ/kg)) giver mulighed for et lettere batteri til en given energilagring.

Et batteris indre modstand afgiver strøm. Elektrokemi, kassekonstruktionsmaterialer og batteridimensioner påvirker denne modstand. Desuden har kompakte batterier en tendens til at have højere indre modstand end større batterier. Litiumbatterier har generelt lavere indre modstand end alkaliske batterier, hvilket gør dem velegnede til applikationer med højt strømforbrug på grund af den deraf følgende effektafledning. Under drift vil et batteris indre modstand variere afhængigt af blandt andet afladningshastigheden og -dybden, temperaturen og batteriets alder.

Den nominelle udgangsspænding for et batteri bestemmes af dets elektrokemi. For eksempel har et alkalisk nikkel-zink-batteri (NiZn) en nominel spænding på 1,5 volt og en specifik energi på 720 kJ/kg (eller 200 watttimer pr. kilogram (Wh/kg)). Et primært litium-manganoxid-batteri (LMO) har en nominel spænding på 3,0 volt og en specifik energi på 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

Zink-luft og sølvoxid (Ag₂O) er andre almindelige elektrokemiske metoder. Zink-luft-batterier består af en zinkanode, en separator af elektrolytisk pasta og en katode af omgivende luft. Denne type leveres almindeligvis i en møntcelleformfaktor. På grund af den ikke-metalliske katode er et zink-luft-batteri let og forholdsvis billigt. Den har en relativt flad afladningskurve og en nominel udgangsspænding på 1,4 volt.

Ag₂O-batterier kombinerer en sølvkatode og en zinkanode. De har en nominel udgangsspænding svarende til alkaliske batterier på 1,55 volt, men har en tendens til at blive leveret med en højere kapacitet og en fladere afladningskurve. Disse batterier er generelt mere sikre og har længere levetid end litiumbatterier med en lignende afladningskurve.

Tabel 1 opsummerer de forskellige typer primærbatterier.

Tabel 1: Her vises minimums-, nominel- og maksimumsspænding og specifik energi for forskellige primære batteriers elektrokemi. (Billedkilde: Analog Devices)

Batterispændingen falder, når batteriet aflades. Figur 1 viser udgangsspændingen fra et AA-alkalibatteri med en konstant strømbelastning på 100 milliampere (mA). Regulering er nødvendig for at sikre, at batteriet eller batterierne kan levere en eller flere konstant stabile spændinger til systemets komponenter.

Figur 1: Batterispændingen falder i takt med, at der tappes energi. Dette eksempel viser udgangsspændingen fra et AA-alkalibatteri under en konstant strømbelastning på 100 mA. (Billedkilde: Energizer)

Batterier til medicinske systemer er underlagt standarder som ANSI/AAMI ES 60601-1. Designere kan sikre, at deres udvalgte batterier opfylder lovkravene ved at arbejde med en respekteret leverandør.

DC/DC-konverteringsmuligheder til medicinske batteridrevne systemer

Spændingsregulering tilpasser det valgte batteris output til forskellige krav til systemets indgangsspænding. For eksempel kan et 3 volt batteri forventes at levere 2 volt til et kredsløb og 1,1 volt til et andet. Regulering kan også bruges til at opretholde en pålidelig konstant spænding, når batterispændingen falder under afladning.

Der er to hovedkategorier af kommercielle DC/DC-omformere til spændingsregulering: den lineære LDO-regulator (low-drop-out) og switch-regulatoren. LDO'er er enklere, men har tendens til at være mindre effektive og kan kun justere batterispændingen efter step-down (buck) princippet. En LDO bliver dog mere effektiv, når forskellen mellem indgangs- og udgangsspændingen falder (effektiviteten er proportional med V_OUT/V_IN). Kompakt størrelse, lavere pris og mangel på spændingsstøj i forbindelse med switch-regulatorer er andre fordele ved LDO'er.

Switch-regulatorer giver generelt højere effektivitet; nogle typer kan step-up (boost) og step-down (buck) batterispændingen. Ulemperne ved switch-regulatorer er designkompleksitet, et potentiale for elektromagnetisk interferens (EMI), omkostninger og et større printkortfodaftryk.

(Se "Vælg den rigtige regulator til din applikation" og "Forstå fordelene og ulemperne ved lineære regulatorer").

Et eksempel på en meget effektiv switch buck-regulator til medicinske anvendelser er Analog Devices' MAX38640AENT+. Denne enhed fungerer fra et input på 1,8 til 5,5 volt og giver et output på mellem 0,7 og 3,3 volt. Regulatoren understøtter belastningsstrømme på 175, 350 eller 700 mA med en spidseffektivitet på 96 %. Den har også en effektivitet på 88 % ved belastningsstrømme ned til 10 mikroampere (µA) (figur 2). Chippen leveres i en kompakt 1,42 x 0,89 millimeter (mm), 6-bens WLP (wafer-level-pakke) og 2 x 2 mm, 6-bens µDFN-pakke.

Figur 2: MAX38640 viser god effektivitet over et bredt belastningsstrømsområde, hvilket hjælper med at forlænge batteriets levetid i medicinske systemer. (Billedkilde: Analog Devices)

Eksempel på medicinsk batterianvendelse

Et elektrokardiogram (EKG) brystplaster med en ønsket driftstid på fem dage er et godt eksempel på en anvendelse. Plasteret er til engangsbrug og har et batteri, der ikke kan udskiftes. Den har en Bluetooth Low Energy (LE)-forbindelse til trådløs overførsel af EKG-data.

Plasteret er baseret på en MAX30001 EKG analog front-end (AFE) og en MAX32655 mikrocontrollerenhed (MCU). Den har også en MAX30208 temperatursensor og et ADXL367B accelerometer.

Fordi applikationen er et engangsplaster, skal batteriet være billigt, fuldt forseglet, lille og let. Disse krav gør møntcelleformfaktoren til et godt valg.

Slutsystemets Bluetooth LE-kommunikation og MAX32655 MCU'ens forskellige driftstilstande kræver høje strømme, hvilket gør LMO og Ag₂O til egnede kemier. LMO har en nominel udgangsspænding på 3,0 volt og en specifik energi, der er dobbelt så høj som Ag₂O's. LMO kan fås i en praktisk CR2032-møntcelleform med en kapacitet på op til 235 milliamperetimer (mAh). Ag₂O har en nominel udgangsspænding på 1,55 volt, og den største tilgængelige møntcelleformfaktor er SR44W-batteriet med en kapacitet på 200 mAh.

Belastningsprofilen for EKG-brystplasteret anslås til ca. 45 mAh pr. dag: 45 x 5 dage = 225 mAh. Det er lige inden for kapaciteten af LMO-batteriet på 235 mAh, men over kapaciteten af Ag₂O-cellen på 200 mAh. LMO-batteriet er derfor det bedste valg til denne medicinske anvendelse.

Design af spændingsreguleringskredsløbet

Til spændingsregulering kan designeren bruge det nominelle 3 volt output fra LMO-batteriet som input til tre MAX38640 buck switch-regulatorer.

To af disse regulatorer kan forsyne MAX30001's analoge og digitale indgange. De kræver begge en forsyning på mellem 1,1 og 2 volt og kræver en strøm, der ligger langt inden for regulatorens kapacitet.

En anden MAX38640-regulator forsyner MCU'en, temperatursensoren og accelerometeret. MCU'en kræver et spændingsinput på mindst 2 volt, temperatursensoren har et minimumskrav på 1,7 volt, og accelerometeret har et minimumskrav på 1,1 volt. Strømforbruget for alle tre enheder ligger godt inden for regulatorens kapacitet. Figur 3 viser et skema over strømforsyningsdesignet, der forlænger batteriets levetid til fem dage.

Figur 3: I strømforsyningsdesignet til et EKG-plaster med en MCU, en temperatursensor og et accelerometer forlænger tre effektive buck switch-regulatorer batteriets levetid til fem dage. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

Flere faktorer påvirker valget af batteri til medicinsk udstyr. For at maksimere batteriets levetid og sikre, at følsomme IC'er får en stabil og støjfri spændingsforsyning, skal batteriudgangen reguleres af enten LDO'er eller switch-konvertere. Der findes mange kommercielle moduler til hver kategori, og valget er primært en afvejning mellem effektivitet, omkostninger og designkompleksitet.