Výběr a optimalizace baterií ve zdravotnických prostředcích

Výběr nejlepší baterie pro přenosný zdravotnický prostředek je stejně důležitý jako výběr vhodného procesoru, bezdrátového čipu a paměti flash. Špatný výběr zdroje energie by mohl vážně ohrozit výkon jinak dobře navrženého produktu.

Protože se napětí jakéhokoli typu baterie mění s parametry, jako je nabití, zátěž a teplota, je zapotřebí regulace, aby bylo zajištěno spolehlivé konstantní napětí v zátěži.

V tomto článku je uveden stručný přehled chemie baterií vhodných pro zdravotnické prostředky. Poté jsou zde představeny možnosti regulace napětí od společnosti Analog Devices a pomocí praktické aplikace je zde ukázáno, jak se používají.

Porozumění vlastnostem baterií

Výběr baterie pro zdravotnický prostředek ovlivňují následující parametry:

• Požadavek na primární nebo sekundární (dobíjecí) baterii
• Velikost baterie, napětí, vnitřní odpor, kapacita a měrná energie
• Elektrochemie baterií
• Platné předpisy

Primární baterie mají nižší samovybíjecí proud než sekundární články. Díky tomu jsou vhodnější pro systémy s delší dobou mezi použitími. Nevýhodou je nutnost výměny a likvidace článku po vybití.

Sekundární baterie jsou vhodnější pro aplikace s relativně vysokým odběrem proudu. Jsou obecně dražší než primární články a složitost systému se zvyšuje kvůli potřebě začlenit nabíjecí obvody.

Rozměry systému pomáhají určit omezení fyzické velikosti baterie, zatímco cílová životnost baterie a průměrný odběr proudu systému pomáhají určit požadovanou kapacitu. Větší měrná energie (kJ/kg) umožňuje lehčí baterii pro dané úložiště energie.

Vnitřní odpor baterie rozptyluje energii. Tento odpor ovlivňuje elektrochemie, konstrukční materiály pouzdra a rozměry baterie. Kompaktní baterie mají také obvykle vyšší vnitřní odpor než větší baterie. Lithiové baterie se obecně vyznačují nižším vnitřním odporem než alkalické typy, což je díky výslednému rozptylovému výkonu činí vhodnými pro aplikace s vysokým odběrem proudu. Během provozu se bude vnitřní odpor baterie lišit v závislosti na rychlosti a hloubce vybíjení, teplotě a stáří baterie a dalších faktorech.

Jmenovité výstupní napětí baterie je dáno její elektrochemií. Například primární nikl-zinková (NiZn) alkalická baterie má jmenovité napětí 1,5 V a měrnou energii 720 kJ/kg (neboli 200 Wh/kg). Primární lithium-mangan oxidová baterie (LMO) má jmenovité napětí 3,0 V a měrnou energii 1 008 kJ/kg (280 Wh/kg).

Dalšími běžnými elektrochemikáliemi jsou zinek-vzduch a oxid stříbrný (Ag₂O). Zinko-vzduchové baterie obsahují zinkovou anodu, separátor z elektrolytické pasty a katodu z okolního vzduchu. Tento typ se běžně dodává ve tvaru mince. Díky nekovové katodě je zinko-vzduchová baterie lehká a poměrně levná. Vyznačuje se relativně plochou vybíjecí křivkou a jmenovitým výstupním napětím 1,4 V.

Baterie Ag₂O kombinují stříbrnou katodu a zinkovou anodu. Mají jmenovité výstupní napětí podobné alkalickým bateriím 1,55 V, ale bývají dodávány s vyšší kapacitou a plošší vybíjecí křivkou. Tyto baterie jsou obecně bezpečnější a mají delší životnost než lithiové baterie s podobnou vybíjecí křivkou.

V tabulce 1 jsou shrnuty různé typy primárních baterií.

Tabulka 1: Minimální, jmenovité a maximální napětí a měrná energie pro různé elektrochemie primárních baterií. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Napětí baterie se s vybíjením snižuje. Na obrázku 1 je ukázáno výstupní napětí alkalické baterie AA s konstantní proudovou zátěží 100 mA. Regulace je vyžadována k zajištění, že baterie nebo více baterií mohou dodávat jedno nebo více trvale stabilních napětí pro součásti systému.

Obrázek 1: Napětí baterie klesá s vybíjením energie. V tomto příkladu je ukázáno výstupní napětí alkalické baterie AA při konstantní proudové zátěži 100 mA. (Zdroj obrázku: společnost Energizer)

Na baterie pro zdravotnické systémy se vztahují normy, jako je ANSI/AAMI ES 60601-1. Konstruktéři mohou ve spolupráci s respektovaným dodavatelem zajistit, že jejich baterie budou splňovat regulační požadavky.

Možnosti převodu DC/DC pro zdravotnické systémy napájené bateriemi

Regulace napětí přizpůsobuje výstup zvolené baterie různým požadavkům na vstupní napětí systému. Lze například očekávat, že 3voltová baterie bude dodávat 2 V do jednoho obvodu a 1,1 V do druhého. Regulaci lze také použít k udržení spolehlivého konstantního napětí, když napětí baterie během vybíjení klesá.

Existují dvě hlavní kategorie komerčních DC/DC převodníků pro regulaci napětí: lineární regulátor s nízkým úbytkem napětí („linear low-drop-out“, LDO) a spínací regulátor. Regulátory LDO jsou jednodušší, ale bývají méně účinné a mohou pouze snižovat (buck) napětí baterie. S klesajícím rozdílem vstupního a výstupního napětí je však regulátor LDO účinnější (účinnost je úměrná V_OUT/V_IN). Dalšími výhodami regulátorů LDO jsou kompaktní velikost, nižší cena a absence zvlnění napětí, které je spínacím regulátorům vlastní.

Spínací regulátory obecně nabízejí vyšší účinnost. Některé typy mohou napětí baterie zvyšovat (boost) a snižovat (buck). Nevýhodou spínacích regulátorů je složitost konstrukce, potenciál pro elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI), cena a větší půdorys desky plošných spojů (DPS).

(Viz články „Výběr správného regulátoru pro vaši aplikaci“ a „Porozumění výhodám a nevýhodám lineárních regulátorů“.)

Příkladem vysoce účinného spínacího regulátoru typu buck pro zdravotnické aplikace je model MAX38640AENT+ společnosti Analog Devices. Toto zařízení pracuje se vstupem 1,8 až 5,5 V a poskytuje výstup mezi 0,7 a 3,3 V. Regulátor podporuje zatěžovací proudy 175, 350 nebo 700 mA se špičkovou účinností 96 %. Nabízí také 88% účinnost při zatěžovacích proudech do 10 µA (obrázek 2). Čip se dodává v kompaktním pouzdru WLP („wafer level package“, pouzdro čipů na waferu) 1,42 × 0,89 mm, 6pinovém pouzdru WLP a 6pinovém pouzdru µDFN 2 × 2 mm.

Obrázek 2: Model MAX38640 vykazuje dobrou účinnost v širokém rozsahu zatěžovacích proudů, což pomáhá prodloužit životnost baterií ve zdravotnických systémech. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Příklad zdravotnické aplikace baterie

Dobrým příkladem aplikace je náplast na hrudník s elektrokardiogramem (EKG) s požadovanou dobou provozu pět dnů. Náplast je jednorázová, s nevyměnitelnou baterií. Je vybavena připojením BLE („Bluetooth Low Energy“, Bluetooth s nízkou spotřebou energie) pro bezdrátový přenos dat EKG.

Náplast je založena na analogovém front-endu („analog front-end“, AFE) MAX30001 s EKG a na mikrokontroléru („microcontroller unit“, MCU) MAX32655. Dále je vybavena snímačem teploty MAX30208 a akcelerometrem ADXL367B.

Protože se jedná o jednorázovou náplast, baterie musí být levná, plně utěsněná, malá a lehká. Díky těmto požadavkům je tvar mincovního článku dobrou volbou.

Komunikace Bluetooth LE koncového systému a různé provozní režimy mikrokontroléru MAX32655 vyžadují vysoké proudy, a proto jsou vhodnými chemikáliemi LMO a Ag₂O. LMO má jmenovité výstupní napětí 3,0 V a měrnou energii dvojnásobnou oproti Ag₂O. LMO lze získat ve vhodném tvaru mince CR2032 s kapacitou až 235 mAh. Ag₂O má jmenovité výstupní napětí 1,55 V a největší dostupný mincový článek je baterie SR44W s kapacitou 200 mAh.

Profil zátěže pro náplast na hrudník s EKG se odhaduje na přibližně 45 mAh za den: 45 × 5 dní = 225 mAh. To je přesně v rámci kapacity 235mAh baterie LMO, ale za hranicí kapacity 200mAh článku Ag₂O. Baterie LMO je proto pro tuto zdravotnickou aplikaci nejlepší volbou.

Návrh obvodu regulace napětí

K regulaci napětí může konstruktér použít jmenovitý 3V výstup z baterie LMO jako vstup pro tři spínací regulátory MAX38640 typu buck.

Dva z těchto regulátorů mohou napájet analogový a digitální vstup zařízení MAX30001. Oba vyžadují napájení mezi 1,1 a 2 V a vyžadují proud v rámci kapacity regulátoru.

Další regulátor MAX38640 napájí mikrokontrolér, snímač teploty a akcelerometr. Mikrokontrolér vyžaduje minimální vstupní napětí 2 V, snímač teploty má minimální požadavek 1,7 V a akcelerometr má minimální požadavek 1,1 V. Proudový odběr všech tří zařízení je v rámci možností regulátoru. Na obrázku 3 je ukázáno schéma návrhu napájecího zdroje, který prodlužuje životnost baterie na pět dní.

Obrázek 3: V návrhu napájecího zdroje pro náplast s EKG, snímačem teploty a akcelerometrem prodlužují tři účinné spínací regulátory typu buck výdrž baterie na pět dní. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Závěr

Výběr baterie pro zdravotnické prostředky ovlivňuje několik faktorů. Výstup baterie musí být regulován buď regulátorem LDO, nebo spínacími převodníky, aby se maximalizovala životnost baterie a zajistilo se, že citlivé integrované obvody obdrží stabilní napájení bez šumu. Pro každou kategorii je k dispozici mnoho komerčních modulů a výběr je především kompromisem mezi efektivitou, cenou a složitostí návrhu.