Dobór i optymalizacja baterii w urządzeniach medycznych

Wybór najlepszej baterii do przenośnego urządzenia medycznego jest tak samo ważny jak wybór odpowiedniego procesora, bezprzewodowego układu mikroelektronicznego i pamięci flash. Niewłaściwy dobór źródła energii może poważnie pogorszyć parametry działania dobrze zaprojektowanego produktu.

Ponieważ napięcie każdego typu baterii zmienia się w zależności od takich parametrów jak ładunek, obciążenie i temperatura, dla zapewnienia niezawodnego, stałego napięcia na odbiorniku konieczna jest regulacja.

Niniejszy artykuł zawiera krótkie omówienie technologii chemicznych baterii odpowiednich do urządzeń medycznych. Przedstawia także rozwiązania regulacji napięcia firmy Analog Devices i demonstruje sposób ich używania na podstawie praktycznych zastosowań.

Zrozumienie charakterystyki baterii

Na dobór baterii do produktu medycznego mają wpływ następujące parametry:

• Potrzeba zastosowania baterii pierwotnej bądź wtórnej (wielokrotnego ładowania)
• Rozmiar baterii, napięcie, rezystancja wewnętrzna, pojemność i energia właściwa
• Elektrochemia baterii
• Obowiązujące przepisy

Baterie pierwotne mają niższy prąd samorozładowania niż ogniwa wtórne. Dzięki temu są bardziej odpowiednie do układów, w których odstępy między użyciami są dłuższe. Wadą jest konieczność wymiany i utylizacji rozładowanego ogniwa.

Baterie wtórne lepiej nadają się do zastosowań o stosunkowo wysokim poborze prądu. Są one na ogół droższe niż ogniwa pierwotne, a złożoność układu jest większa ze względu na potrzebę dodania obwodów ładowania.

Wymiary układu pomagają określić ograniczenia fizycznych rozmiarów baterii, natomiast docelowy czas pracy baterii i średni pobór prądu przez układ pomagają określić wymaganą pojemność. Wyższa energia właściwa (kJ/kg) pozwala uzyskać lżejszą baterię przy danej ilości energii.

Rezystancja wewnętrzna baterii powoduje straty mocy. Wpływ na tę rezystancję mają: technologia elektrochemiczna, materiały, z których wykonano obudowę oraz wymiary baterii. Ponadto kompaktowe baterie mają zwykle wyższą rezystancję wewnętrzną w porównaniu z większymi bateriami. Baterie litowe mają generalnie niższą rezystancję wewnętrzną niż baterie alkaliczne, co sprawia, że są odpowiednie do zastosowań o wysokim poborze prądu, ze względu na straty mocy. Podczas pracy rezystancja wewnętrzna baterii zmienia się, między innymi w zależności od szybkości i głębokości rozładowania, temperatury oraz wieku baterii.

Znamionowe napięcie wyjściowe baterii zależy od jej technologii elektrochemicznej. Na przykład, alkaliczna niklowo-cynkowa (NiZn) bateria pierwotna ma napięcie znamionowe 1,5V i energię właściwą 720kJ/kg (czyli 200Wh/kg). Litowo-manganowo-tlenkowa (LMO) bateria pierwotna ma napięcie znamionowe 3,0V i energię właściwą 1008kJ/kg (280Wh/kg).

Inne popularne technologie elektrochemiczne to technologia cynkowo-powietrzna i tlenkowo-srebrowa (Ag₂O). Baterie cynkowo-powietrzne składają się z anody cynkowej, elektrolitycznego separatora w formie pasty oraz katody w postaci powietrza otoczenia. Ten typ jest zwykle dostarczany w formie ogniwa pastylkowego. Ze względu na niemetaliczną katodę bateria cynkowo-powietrzna jest lekka i względnie niedroga. Charakteryzuje się stosunkowo płaską krzywą rozładowywania i nominalnym napięciem wyjściowym 1,4V.

Baterie Ag₂O zawierają katodę srebrną i anodę cynkową. Podobne do baterii alkalicznych, ich nominalne napięcie wyjściowe wynosi 1,55V, jednak zwykle charakteryzują się większą pojemnością i bardziej płaską krzywą rozładowywania. Baterie te są generalnie bezpieczniejsze i mają dłuższą żywotność niż baterie litowe o podobnej krzywej rozładowywania.

W tabeli 1 zestawiono różne typy baterii pierwotnych.

Tabela 1: napięcia minimalne, nominalne i maksymalne oraz energie właściwe dla różnych technologii elektrochemicznych baterii pierwotnych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Napięcie baterii spada wraz z rozładowaniem. Ilustracja 1 przedstawia napięcie wyjściowe baterii alkalicznej typu AA przy obciążeniu o stałym natężeniu 100mA. Aby zapewnić dostarczanie przez baterię (lub baterie) co najmniej jednego niezmiennego i stabilnego napięcia dla komponentów układu, wymagana jest regulacja.

Ilustracja 1: napięcie baterii spada wraz z wyczerpywaniem się energii. Ten przykład pokazuje napięcie wyjściowe baterii alkalicznej typu AA przy obciążeniu o stałym natężeniu 100mA. (Źródło ilustracji: Energizer)

Baterie do systemów medycznych podlegają takim normom, jak ANSI/AAMI ES 60601-1. Dzięki współpracy z uznanym dostawcą, projektanci mogą zadbać o to, aby baterie, spośród, których chcą wybrać ostatecznego kandydata, spełniały wymogi przepisów.

Opcje konwersji prądu stałego do medycznych systemów z zasilaniem bateryjnym

Dzięki regulacji napięcia, parametry wyjściowe wybranej baterii dopasowywane są do różnych wymagań w zakresie napięcia wejściowego układu. Na przykład bateria 3V może dostarczać 2V do jednego obwodu i 1,1V do drugiego. Regulację można również wykorzystać do utrzymania niezawodnego, stałego napięcia, jako że podczas rozładowywania baterii jej napięcie spada.

Istnieją dwie główne kategorie komercyjnych przetwornic prądu stałego do regulacji napięcia: regulatory liniowe o niskim spadku (LDO) i regulatory przełączające. Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) są prostsze, ale mają zwykle niższą sprawność i mogą tylko obniżać napięcie baterii. Jednak regulator LDO zyskuje wyższą sprawność, gdy różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym maleje (sprawność jest proporcjonalna do V_OUT/V_IN). Kompaktowe rozmiary, niższa cena oraz brak tętnień napięcia charakterystycznych dla regulatorów przełączających to kolejne zalety regulatorów LDO.

Regulatory przełączające generalnie oferują wyższą sprawność, a niektóre typy mogą podwyższać i obniżać napięcie baterii. Minusy regulatorów przełączających to złożoność projektu, ryzyko zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), koszt i większa zajmowana powierzchnia na płytce drukowanej.

(Patrz: „Dobór odpowiedniego regulatora do danego zastosowania” oraz „Zrozumienie zalet i wad regulatorów liniowych”.)

Jednym z przykładów przełączających regulatorów obniżających o wysokiej sprawności do zastosowań medycznych jest urządzenie MAX38640AENT+ firmy Analog Devices. Omawiane urządzenie działa przy napięciu wejściowym od 1,8 do 5,5V i dostarcza na wyjściu napięcie od 0,7 do 3,3V. Regulator ten obsługuje prądy obciążeniowe 175, 350 lub 700mA przy sprawności szczytowej 96%. Zapewnia również sprawność 88% przy prądach obciążeniowych zaledwie 10µA (ilustracja 2). Układ mikroelektroniczny jest dostarczany w kompaktowej 6-wtykowej obudowie typu WLP (Wafer Level Package) o wymiarach 1,42 x 0,89mm oraz 6-wtykowej obudowie µDFN o wymiarach 2 x 2mm.

Ilustracja 2: urządzenie MAX38640 charakteryzuje się dobrą sprawnością w szerokim zakresie prądów obciążeniowych, co pomaga wydłużyć czas pracy baterii w systemach medycznych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Przykładowe zastosowanie medyczne baterii

Dobrym przykładem zastosowania jest plaster elektrokardiograficzny (EKG) na klatkę piersiową o wymaganym czasie działania wynoszącym pięć dni. Plaster jest jednorazowy i posiada niewymienną baterię. Jest on wyposażony w łączność Bluetooth Low Energy (LE) umożliwiającą bezprzewodowe przesyłanie danych EKG.

Plaster bazuje na analogowym układzie front-end (AFE) do EKG MAX30001 oraz a mikrokontrolerze (MCU) MAX32655. Posiada również czujnik temperatury MAX30208 i przyspieszeniomierz ADXL367B.

Ponieważ jest to plaster jednorazowy, jego bateria musi być niedroga, w pełni uszczelniona, mała i lekka. W związku z tymi wymaganiami, dobrym wyborem są ogniwa pastylkowe.

Komunikacja Bluetooth LE systemu końcowego i różne tryby pracy mikrokontrolera MCU MAX32655 wymagają dużych prądów, co sprawia, że odpowiednimi pod względem technologii chemicznej będą baterie litowo-manganowo-tlenkowe (LMO) i tlenkowo-srebrowe (Ag₂O). Bateria litowo-manganowo-tlenkowa (LMO) ma nominalne napięcie wyjściowe 3,0V i energię właściwą dwukrotnie większą od baterii tlenkowo-srebrowej (Ag₂O). Baterię litowo-manganowo-tlenkową (LMO) można zakupić w wygodnej formie pastylkowej CR2032 o pojemności do 235mAh. Bateria tlenkowo-srebrowa (Ag₂O) ma nominalne napięcie wyjściowe 1,55V, a największym dostępnym rozmiarem ogniwa pastylkowego tego typu jest bateria SR44W o pojemności 200mAh.

Profil obciążenia plastra EKG na klatkę piersiową szacuje się na około 45mAh dziennie: 45 x 5 dni = 225mAh. Jest to mniej od pojemności baterii litowo-manganowo-tlenkowej (LMO) równej 235mAh, ale więcej niż ma ogniwo tlenkowo-srebrowe - (Ag₂O) - 200mAh. Dlatego najlepszym wyborem do tego zastosowania medycznego jest bateria litowo-manganowo-tlenkowa (LMO).

Projektowanie obwodu regulacji napięcia

Do regulacji napięcia projektant może wykorzystać nominalne napięcie wyjściowe 3V z baterii litowo-manganowo-tlenkowej (LMO) podawane na wejście trzech obniżających regulatorów przełączających MAX38640.

Dwa z tych regulatorów mogą zasilać wejścia analogowe i cyfrowe urządzenia MAX30001. Obydwa wymagają zasilania o napięciu od 1,1 do 2V i prądu o wartości nie przekraczającej możliwości regulatora.

Kolejny regulator MAX38640 zasila mikrokontroler MCU, czujnik temperatury i przyspieszeniomierz. Mikrokontroler MCU wymaga minimalnego napięcia wejściowego 2V, dla czujnika temperatury wymagane jest minimalne napięcie 1,7V, a dla przyspieszeniomierza wymagane jest minimalne napięcie 1,1V. Pobór prądu przez wszystkie trzy urządzenia mieści się w granicach możliwości regulatora. Ilustracja 3 przedstawia schemat konstrukcji zasilacza, który wydłuża czas pracy baterii do pięciu dni.

Ilustracja 3: w projekcie zasilacza dla plastra EKG z mikrokontrolerem MCU, czujnikiem temperatury i przyspieszeniomierzem występują trzy wydajne obniżające regulatory przełączające, które wydłużają czas pracy baterii do pięciu dni. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podsumowanie

Na wybór baterii do urządzeń medycznych wpływa szereg czynników. Aby zmaksymalizować czas pracy baterii oraz zapewnić wrażliwym układom scalonym stabilne i wolne od zakłóceń napięcie zasilania, wyjście baterii musi być regulowane za pomocą regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO) lub przetwornic przełączających. W każdej z tych kategorii dostępnych jest wiele modułów komercyjnych, a dobór jest przede wszystkim kompromisem między sprawnością, kosztami i złożonością projektu.