Selectarea și optimizarea bateriilor în dispozitivele medicale

Selectarea celei mai bune baterii pentru un dispozitiv medical portabil este la fel de importantă ca alegerea procesorului, a cipului wireless și a memoriei flash potrivite. O alegere greșită a sursei de energie ar putea compromite grav performanța unui produs bine proiectat.

Deoarece tensiunea oricărui tip de baterie variază în funcție de parametri precum încărcarea, sarcina și temperatura, este necesară reglarea pentru a se asigura o tensiune constantă fiabilă la sarcină.

Acest articol oferă o scurtă trecere în revistă a compușilor chimici ai bateriilor potriviți pentru dispozitivele medicale. După aceea, prezintă opțiunile de reglare a tensiunii de la Analog Devices și utilizează o aplicație practică pentru a arăta modul în care acestea sunt aplicate.

Înțelegerea caracteristicilor bateriei

Următorii parametri influențează selectarea bateriei pentru un produs medical:

• Necesitatea unei baterii primare sau secundare (reîncărcabile)
• Dimensiunea bateriei, tensiunea, rezistența internă, capacitatea și energia specifică
• Electrochimia bateriilor
• Reglementările aplicabile

Bateriile primare au un curent de autodescărcare mai mic decât celulele secundare. Acest lucru le face mai potrivite pentru sistemele care sunt utilizate rar sau la intervale mari de timp. Dezavantajul este necesitatea de a înlocui și de a elimina celula odată descărcată.

Bateriile secundare sunt mai potrivite pentru aplicații cu consum relativ mare de curent. În general, acestea sunt mai scumpe decât celulele primare, iar complexitatea sistemului crește din cauza necesității de a încorpora circuite de încărcare.

Dimensiunile sistemului ajută la determinarea limitărilor privind dimensiunea fizică a bateriei, în timp ce durata de viață țintă a bateriei și consumul mediu de curent al sistemului ajută la determinarea capacității necesare. O energie specifică mai mare [kilojouli pe kilogram (kJ/kg)] permite o baterie mai ușoară pentru o stocare de energie dată.

Rezistența internă a unei baterii disipă energie. Electrochimia, materialele de construcție ale carcasei și dimensiunile bateriei influențează această rezistență. De asemenea, bateriile compacte tind să aibă o rezistență internă mai mare decât cele mai mari. În general, bateriile cu litiu au o rezistență internă mai mică decât bateriile alcaline, ceea ce le face potrivite pentru aplicații cu consum mare de curent datorită disipării de putere rezultate. În timpul funcționării, rezistența internă a unei baterii variază în funcție de viteza și adâncimea descărcării, de temperatură și de vechimea bateriei, printre alți factori.

Tensiunea nominală de ieșire a unei baterii este determinată de electrochimia acesteia. De exemplu, o baterie alcalină primară nichel-zinc (NiZn) are o tensiune nominală de 1,5 volți și o energie specifică de 720 kJ/kg [sau 200 wați-oră pe kilogram (Wh/kg)]. O baterie primară litiu-oxid de mangan (LMO) are o tensiune nominală de 3,0 volți și o energie specifică de 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

Alte electrochimii comune sunt zinc-aer și oxidul de argint (Ag₂O). Bateriile zinc-aer cuprind un anod de zinc, un separator de pastă electrolitică și un catod de aer ambiental. Acest tip este furnizat în mod obișnuit sub forma unei baterii tip pastilă. Datorită catodului său nemetalic, o baterie zinc-aer este ușoară și relativ ieftină. Are o curbă de descărcare relativ plată și o tensiune de ieșire nominală de 1,4 volți.

Bateriile Ag₂O combină un catod de argint și un anod de zinc. Acestea au o tensiune nominală de ieșire similară bateriilor alcaline de 1,55 volți, dar tind să fie furnizate cu o capacitate mai mare și o curbă de descărcare mai plată. Aceste baterii sunt în general mai sigure și au o durată de viață mai lungă decât bateriile cu litiu cu o curbă de descărcare similară.

Tabelul 1 sintetizează diferitele tipuri de baterii primare.

Tabelul 1: Sunt prezentate tensiunile minime, nominale și maxime și energia specifică pentru diferite electrochimii de baterii primare. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Tensiunea bateriei scade odată cu descărcarea. Figura 1 prezintă tensiunea de ieșire a unei baterii alcaline AA cu o sarcină de curent constant de 100 miliamperi (mA). Reglarea este necesară pentru a se asigura faptul că bateria sau bateriile pot furniza una sau mai multe tensiuni stabile și constante pentru componentele sistemului.

Figura 1: Tensiunea bateriei scade pe măsură ce energia este drenată. Acest exemplu arată tensiunea de ieșire a unei baterii alcaline AA sub o sarcină de curent constant de 100 mA. (Sursa imaginii: Energizer)

Bateriile pentru sistemele medicale sunt supuse unor standarde precum ANSI/AAMI ES 60601-1. Proiectanții se pot asigura că bateriile preselectate îndeplinesc cerințele de reglementare prin colaborarea cu un furnizor respectat.

Opțiuni de conversie c.c./c.c. pentru sisteme medicale alimentate de baterii

Reglarea tensiunii adaptează ieșirea bateriei selectate la diversele cerințe de tensiune de intrare ale sistemului. De exemplu, o baterie de 3 volți ar trebui să furnizeze 2 volți unui circuit și 1,1 volți altuia. Reglarea poate fi utilizată și pentru a menține o tensiune constantă fiabilă atunci când tensiunea bateriei scade în timpul descărcării.

Există două categorii principale de convertoare c.c./c.c. comerciale pentru reglarea tensiunii: regulatorul liniar cu cădere mică de tensiune (LDO) și regulatorul de comutare. LDO-urile sunt mai simple, dar tind să fie mai puțin eficiente și pot doar să reducă (să coboare) tensiunea bateriei. Cu toate acestea, un LDO devine mai eficient pe măsură ce diferența dintre tensiunea de intrare și cea de ieșire scade (eficiența este proporțională cu V_OUT/V_IN). Dimensiunile compacte, prețul redus și lipsa zgomotului de ondulație a tensiunii inerent regulatoarelor de comutare sunt alte avantaje ale LDO-urilor.

Regulatoarele de comutare oferă, în general, o eficiență mai mare; unele tipuri pot crește (ridica) și coborî tensiunea bateriei. Dezavantajele regulatoarelor de comutare sunt complexitatea proiectării, potențialul de interferență electromagnetică (EMI), costul și o amprentă mai mare a plăcii de circuite imprimate (PCB).

(Consultați „Selectarea regulatorului corect pentru aplicația dvs.” și „Înțelegerea avantajelor și dezavantajelor regulatoarelor liniare”.)

Un exemplu de regulator de coborâre de comutare foarte eficient pentru aplicații medicale este MAX38640AENT+ de la Analog Devices. Acest dispozitiv funcționează de la o intrare de 1,8 până la 5,5 volți și oferă o ieșire între 0,7 și 3,3 volți. Regulatorul acceptă curenți de sarcină de 175, 350 sau 700 mA cu o eficiență de vârf de 96%. De asemenea, oferă o eficiență de 88% la curenți de sarcină de până la 10 microamperi (µA) (Figura 2). Cipul este furnizat într-o capsulă compactă de 1,42 x 0,89 milimetri (mm), capsulă la nivel de placă (WLP ) cu 6 pini, și într-o capsulă µDFN cu 6 pini de 2 x 2 mm.

Figura 2: MAX38640 demonstrează o eficiență bună pe o gamă largă de curenți de sarcină, contribuind la prelungirea duratei de viață a bateriei în sistemele medicale. (Sursă imagine: Analog Devices)

Exemplu de aplicație medicală pentru baterii

Un exemplu bun de aplicație este un plasture toracic pentru electrocardiogramă (ECG) cu o durată de funcționare dorită de cinci zile. Plasturele este de unică folosință, cu o baterie care nu poate fi înlocuită. Dispune de conectivitate Bluetooth Low Energy (LE) pentru transmiterea wireless a datelor ECG.

Plasturele se bazează pe un front-end analogic (AFE) pentru ECG MAX30001 și o unitate de microcontroler (MCU) MAX32655. De asemenea, are un senzor de temperatură MAX30208 și un accelerometru ADXL367B.

Deoarece aplicația este un plasture de unică folosință, bateria trebuie să fie ieftină, complet etanșă, mică și ușoară. Aceste cerințe fac ca factorul de formă al bateriilor tip pastilă să fie o alegere bună.

Comunicarea Bluetooth LE a sistemului final și diferitele moduri de funcționare ale MCU MAX32655 necesită curenți mari, ceea ce face ca LMO și Ag₂O să fie compușii chimici potriviți. LMO are o tensiune nominală de ieșire de 3,0 volți și o energie specifică dublă față de Ag₂O. LMO poate fi furnizată într-un factor de formă convenabil de baterie tip pastilă CR2032, cu o capacitate de până la 235 miliamperi-oră (mAh). Ag₂O are o tensiune de ieșire nominală de 1,55 volți, iar cel mai mare factor de formă pentru bateriile tip pastilă disponibil este bateria SR44W cu o capacitate de 200 mAh.

Profilul de sarcină pentru plasturele toracic pentru ECG este estimat la aproximativ 45 mAh pe zi: 45 x 5 zile = 225 mAh. Această valoare se încadrează în capacitatea bateriei LMO de 235 mAh, dar depășește capacitatea celulei Ag₂ de 200 mAh. Bateria LMO este, prin urmare, cea mai bună alegere pentru această aplicație medicală.

Proiectarea circuitului de reglare a tensiunii

Pentru reglarea tensiunii, proiectantul poate utiliza ieșirea nominală de 3 volți de la bateria LMO ca intrare pentru trei regulatoare de coborâre de comutare MAX38640.

Două dintre aceste regulatoare pot alimenta intrările analogice și digitale ale MAX30001. Ambele necesită o alimentare între 1,1 și 2 volți și solicită un curent care se încadrează în capacitatea regulatorului.

Un alt regulator MAX38640 alimentează MCU, senzorul de temperatură și accelerometrul. MCU necesită o tensiune minimă de intrare de 2 volți, senzorul de temperatură are o cerință minimă de 1,7 volți, iar accelerometrul are o cerință minimă de 1,1 volți. Consumul de curent al tuturor celor trei dispozitive se încadrează bine în limitele capacității regulatorului. Figura 3 prezintă o schemă a proiectului sursei de alimentare care prelungește durata de viață a bateriei la cinci zile.

Figura 3: În proiectarea sursei de alimentare pentru un plasture pentru ECG cu o MCU, un senzor de temperatură și un accelerometru, trei regulatoare de comutare de coborâre eficiente extind durata de viață a bateriei la cinci zile. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Mai mulți factori influențează alegerea bateriei pentru dispozitivele medicale. Pentru a maximiza durata de viață a bateriei și pentru a se asigura faptul că circuitele integrate sensibile primesc o tensiune de alimentare stabilă și fără zgomot, ieșirea bateriei trebuie să fie reglată fie prin LDO, fie prin convertoare de comutare. Sunt disponibile multe module comerciale pentru fiecare categorie, iar selecția este în primul rând un compromis între eficiență, cost și complexitatea proiectului.