Velge og optimalisere batterier i medisinsk utstyr

Det er like viktig å velge det beste batteriet for en bærbar medisinsk enhet som det er å velge den best egnede prosessoren, trådløse brikken og flash-minnet. Dårlig valg av energikilde kan i stor grad svekke ytelsen til et produkt som ellers er godt konstruert.

Siden spenningen til alle batterityper varierer med parametere som lading, last og temperatur, er det nødvendig med regulering for å sikre pålitelig, konstant spenning til lasten.

Denne artikkelen gir en kort oversikt over batterikjemier som er egnet for medisinsk utstyr. Den introduserer deretter alternativer for spenningsregulering fra Analog Devices, og bruker en praktisk utrustning for å demonstrere hvordan de anvendes.

Forståelse av batteriets egenskaper

Følgende parametere påvirker batterivalget for et medisinsk produkt:

• Krav til et primært eller sekundært (oppladbart) batteri
• Batteristørrelse, spenning, intern motstand, kapasitet og spesifikk energi
• Batterielektrokjemi
• Gjeldende forskrifter

Primærbatterier har lavere selvutladningsstrøm enn sekundære celler. Dette gjør dem bedre egnet for systemer som opplever lengre tid mellom hver bruk. Ulempen er behovet for å erstatte og avhende cellen når den har blitt utladet.

Sekundærbatterier er bedre egnet for utrustninger med relativt høyt strømtrekk. De er vanligvis dyrere enn primærceller, og systemkompleksiteten økes på grunn av behovet for å innlemme ladekretser.

Systemdimensjonene bidrar til å fastsette begrensningene for den fysiske størrelsen til batteriet, mens målbatteriets levetid og systemets gjennomsnittlige strømtrekk bidrar til å fastsette den nødvendige kapasiteten. Større spesifikk energi (kilojoule per kilo (kJ/kg)) gir et lettere batteri for en gitt energilagringskapasitet.

Den interne motstanden til et batteri avleder strøm. Elektrokjemi, kapslingsmaterialer og batteridimensjoner påvirker denne motstanden. Kompakte batterier har også en tendens til å ha høyere intern motstand enn større batterier. Litiumbatterier har vanligvis lavere intern motstand enn alkaliske typer, noe som gjør dem egnet for utrustninger med høyt strømtrekk på grunn av den resulterende strømavledningen. Under drift vil den interne motstanden til et batteri variere avhengig av utladningshastigheten og -mengden, temperaturen og batteriets alder, samt andre faktorer.

Den nominelle utgangsspenningen til et batteri fastsettes av dets elektrokjemi. For eksempel har et primært alkalisk batteri av nikkel-sink (NiZn) en nominell spenning på 1,5 volt og en spesifikk energi på 720 kJ/kg (eller 200 wattimer per kilo (Wh/kg)). Et primært litiummanganoksidbatteri (LMO) har en nominell spenning på 3,0 volt og en spesifikk energi på 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

Sink-luft (zink-air) og sølvoksid (Ag₂O) er andre vanlige elektrokjemikalier. Sink-luft-batterier omfatter en sinkanode, en elektrolytisk pastaseparator (paste separator) og en omgivelsesluft-katode (ambient air cathode). Denne typen leveres vanligvis i en knappcelleformfaktor. Takket være deres ikke-metalliske katode, er sink-luft-batterier lette og relativt billige. De har en relativt flat utladningskurve og en nominell utgangsspenning på 1,4 volt.

Ag₂O-batterier kombinerer en sølvkatode og en sinkanode. De har en nominell utgangsspenning som ligner alkaliske batterier på 1,55 volt, men har en tendens til å forsynes med en høyere kapasitet og flatere utladningskurve. Disse batteriene er generelt tryggere og har lengre levetid enn litiumbatterier med lignende utladningskurve.

Tabell 1 oppsummerer de ulike typene primærbatterier.

Tabell 1: Her vises minimum, nominelle og maksimale spenninger og spesifikk energi for ulike primære batterielektrokjemier. (Bildekilde: Analog Devices)

Batterispenningen avtar med utladning. Figur 1 viser utgangsspenningen til et AA alkalisk batteri med en konstant strømbelastning på 100 milliampere (mA). Regulering er nødvendig for å sikre at batteriet eller batteriene kan levere én eller flere konsekvent stabile spenninger for systemets komponenter.

Figur 1: Batterispenningen avtar etter hvert som energien tappes. Dette eksempelet viser utgangsspenningen til et AA alkalisk batteri med en konstant strømbelastning på 100 mA. (Bildekilde: Energizer)

Batterier for medisinske systemer er underlagt standarder som ANSI/AAMI ES 60601-1. Konstruktører kan sikre at deres utvalgte batterier oppfyller forskriftsmessige krav ved å samarbeide med en respektert leverandør.

DC–DC-konverteringsalternativer for medisinske batteridrevne systemer

Spenningsregulering samsvarer utgangseffekten (output) med det valgte batteriet til ulike systeminngangsspenningskrav. For eksempel kan et batteri på 3 volt forventes å levere 2 volt til én krets og 1,1 volt til en annen. Regulering kan også brukes til å opprettholde en pålitelig konstant spenning etter hvert som batterispenningen avtar under utladning.

Det er to hovedkategorier av kommersielle DC–DC-omformere for spenningsregulering: Den lineære LDO-regulatoren (LDO – low-drop-out) og den ikke-lineære regulatoren. LDO-er er enklere, men de har en tendens til å være mindre effektive og de kan kun nedregulere (buck) batterispenningen. En LDO blir imidlertid mer effektiv etter hvert som forskjellen i inngangs- og utgangsspenning avtar (virkningsgraden er proporsjonal med V_OUT/V_IN). Kompakt størrelse, lavere pris og mangel på spenningsrippelstøy som er forbundet med ikke-lineære regulatorer, er andre fordeler med LDO-er.

Ikke-lineære regulatorer tilbyr vanligvis høyere virkningsgrad, der noen typer kan øke (boost) batterispenningen og noen kan redusere (buck) batterispenningen. Ulempene med ikke-lineære regulatorer er konstruksjonskompleksitet, potensial for elektromagnetisk interferens (EMI), kostnader og større fysisk kretskortstørrelse.

(Se «Velge riktig regulator for din utrustning» og «Forstå fordelene og ulempene forbundet med lineære regulatorer».)

Et eksempel på en svært effektiv ikke-lineær regulator for medisinske utrustninger, er Analog Devices sin MAX38640AENT+. Denne enheten drives fra en inngang på 1,8 til 5,5 volt, og den gir en utgangsspenning på mellom 0,7 og 3,3 volt. Regulatoren støtter belastningsstrømmer på 175, 350 eller 700 mA, med toppvirkningsgrader på 96 %. Den tilbyr også en virkningsgrad på 88 % ved belastningsstrømmer ned til 10 mikroampere (µA) (figur 2). Brikken kommer i en kompakt 6-pinners WLP-kapsling (WLP – wafer level package) på 1,42 x 0,89 millimeter (mm) og en 6-pinners µDFN-kapsling på 2 x 2 mm.

Figur 2: MAX38640 viser god virkningsgrad over et bredt belastningsområde, noe som bidrar til å forlenge batterilevetiden i medisinske systemer. (Bildekilde: Analog Devices)

Eksempel på medisinsk utrustning med batteri

Et brystplaster (chest patch) for et elektrokardiogram (EKG) med en ønsket batterilevetid på fem dager under aktiv bruk, er et godt eksempel på et bruksområde. Plasteret er til engangsbruk, og det har et ikke-utskiftbart batteri. Det har Bluetooth-lavenergi (BLE – Bluetooth Low Energy) for trådløs overføring av EKG-data.

Plasteret er basert på en MAX30001 EKG AFE (analog front-end) og en MAX32655-mikrokontroller (MCU – microcontroller unit). Det har også en MAX30208-temperatursensor og et ADXL367B-akselerometer.

Fordi innretningen er et engangsplaster, må batteriet være billig, fullstendig forseglet, lite og lett. Disse kravene gjør myntcelleformfaktoren til et godt valg.

Sluttsystemets kommunikasjon med lavenergi-Bluetooth (BLE) og de forskjellige driftsmodusene til MAX32655-mikrokontrolleren krever høy strøm, noe som gjør LMO og Ag₂O til egnede kjemikalier. LMO har en nominell utgangsspenning på 3,0 volt og en spesifikk energi som er dobbelt så stor som Ag₂O. LMO kan komme i en praktisk CR2032-knappcelleformfaktor med en kapasitet på opptil 235 milliampere (mAh). Ag₂O har en nominell utgangsspenning på 1,55 volt, og den største tilgjengelige knappcelleformfaktoren er SR44W-batteriet som har en kapasitet på 200 mAh.

Belastningsprofilen for EKG-brystplaster er estimert til rundt 45 mAh per dag: 45 x 5 dager = 225 mAh. Dette er like innenfor kapasiteten til LMO-batteriet på 235 mAh, men mer enn kapasiteten til Ag₂O-cellen på 200 mAh. LMO-batteriet er derfor det beste valget for denne medisinske utrustningen.

Konstruksjon av spenningsreguleringskretsen

For spenningsregulering kan konstruktøren bruke den nominelle 3 volts-utgangen fra LMO-batteriet som inngang for tre ikke-lineære MAX38640-regulatorer med nedtransformering.

To av disse regulatorene kan levere analoge og digitale innganger til MAX30001. Begge krever en forsyning på mellom 1,1 og 2 volt og krever en strøm som ligger godt innenfor regulatorens kapasitet.

En annen MAX38640-regulator kommer med mikrokontrolleren, temperatursensoren og akselerometeret. Mikrokontrolleren krever en minimum spenningsinngang på 2 volt, temperatursensoren har et minstekrav på 1,7 volt og akselerometeret har et minstekrav på 1,1 volt. Strømtrekket for alle tre enhetene ligger godt innenfor regulatorens kapasitet. Figur 3 viser et skjema over strømforsyningens konstruksjon som forlenger batterilevetiden til fem dager.

Figur 3: I strømforsyningens konstruksjon for et EKG-plaster med en mikrokontroller, en temperatursensor og et akselerometer, vil tre effektive ikke-lineære regulatorer med nedtransformering (buck) forlenge batterilevetiden til fem dager. (Bildekilde: Analog Devices)

Konklusjon

Flere faktorer påvirker valget av batteri for medisinsk utstyr. For å maksimere batterilevetiden og sikre at følsomme IC-er mottar en stabil og støyfri spenningsforsyning, må batteriets utgang reguleres av enten LDO-er eller ikke-lineære omformere. Mange kommersielle moduler er tilgjengelige for hver kategori, og utvalget er først og fremst en avveining mellom virkningsgrad, kostnader og konstruksjonskompleksitet.