選擇和優(yōu)化醫(yī)療器械中的電池

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-06-20

對(duì)于便攜式醫(yī)療器械，選用最好的電池和選用合適的處理器、無(wú)線芯片和閃存一樣重要。原本設(shè)計(jì)良好的產(chǎn)品可能會(huì)因能源選擇不當(dāng)而嚴(yán)重影響性能。

由于任何類(lèi)型電池的電壓都會(huì)隨充電、負(fù)載和溫度等參數(shù)的變化而變化，因此需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保為負(fù)載提供可靠的恒定電壓。

本文簡(jiǎn)述了適用于醫(yī)療器械的電池化學(xué)成分。然后，介紹了來(lái)自 [Analog Devices]的電壓調(diào)節(jié)方案，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明了如何使用這些方案。

了解電池特性

以下參數(shù)會(huì)影響醫(yī)療產(chǎn)品的電池選擇：

• 需要使用一次還是二次（可充電）電池
• 電池尺寸、電壓、內(nèi)阻、容量和比能量
• 電池電化學(xué)
• 適用法規(guī)

一次電池的自放電電流低于二次電池。因此，它們更適合于使用間隔時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)。缺點(diǎn)是電池放電后需要更換和處置。

二次電池更適用于電流消耗相對(duì)較大的應(yīng)用。它們通常比一次電池昂貴，而且由于需要集成充電電路，系統(tǒng)也更為復(fù)雜。

系統(tǒng)尺寸有助于確定對(duì)電池物理尺寸的限制，而電池目標(biāo)壽命和系統(tǒng)平均電流消耗則有助于確定所需的容量。給定儲(chǔ)能下，比能量 (kJ/kg) 越高，電池越輕。

電池的內(nèi)阻會(huì)耗散電能。電化學(xué)、外殼結(jié)構(gòu)材料和電池尺寸都會(huì)影響內(nèi)阻。此外，小電池的內(nèi)阻往往比大電池大。與堿性電池相比，鋰電池的內(nèi)阻通常更低，因此適合用于電流消耗大的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兯a(chǎn)生功率耗散較小。工作過(guò)程中，電池的內(nèi)阻會(huì)因放電速度和深度、溫度以及電池的使用年限等因素變化。

電池的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓由其電化學(xué)決定。例如，鎳鋅 (NiZn) 堿性一次電池的標(biāo)稱(chēng)電壓為 1.5 V，比能量為 720 kJ/kg（或 200 Wh/kg）。鋰二氧化錳 (LMO) 一次電池的標(biāo)稱(chēng)電壓為 3.0 V，比能量為 1008 kJ/kg (280 Wh/kg)。

其他常見(jiàn)的電化學(xué)成分有鋅-空氣和氧化銀 (Ag2O)。鋅-空氣電池由鋅陽(yáng)極、電解質(zhì)涂膏隔膜和環(huán)境空氣陰極組成。這類(lèi)電池通常以紐扣電池形式提供。由于鋅-空氣電池采用非金屬陰極，因此重量輕，價(jià)格相對(duì)便宜。其放電曲線相對(duì)平坦，標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為 1.4 V。

氧化銀 (Ag2O) 電池由銀陰極和鋅陽(yáng)極組成。這類(lèi)電池的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為 1.55 V，類(lèi)似于堿性電池，但往往容量更大，放電曲線更加平坦。與放電曲線相似的鋰電池相比，這類(lèi)電池通常更安全，使用壽命更長(zhǎng)。

表 1 匯總了各種類(lèi)型的一次電池。

| | 一次電池 | 最小電壓 (V) | 標(biāo)稱(chēng)電壓 (V) | 最大電壓 (V) | 比能量 |
| ---------- | -------------- | -------------- | -------------- | ----------- |
| 堿性 | 1.1 | 1.5 | 1.65 | 200 Wh/kg |
| 鋅空氣 | 0.9 | 1.4 | 1.68 | 400 Wh/kg |
| 鋰錳 | 2 | 3 | 3.4 | 280 Wh/kg |
| 鋰硫 | 0.9 | 1.5 | 1.8 | 300 Wh/kg |
| 氧化銀 | 1.2 | 1.55 | 1.85 | 130 Wh/kg |

表 1：各種一次電池電化學(xué)成分的最小、標(biāo)稱(chēng)、最大電壓以及比能量。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

電池電壓會(huì)隨著放電而降低。圖 1 顯示了 AA 堿性電池在 100 mA 恒定電流負(fù)載下的輸出電壓。為了確保一節(jié)或多節(jié)電池能為系統(tǒng)組件提供一個(gè)或多個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的電壓，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖 1：電池電壓隨能量消耗而降低。此示例顯示了 AA 堿性電池在 100 mA 恒定電流負(fù)載下的輸出電壓。（圖片來(lái)源：[Energizer]）

醫(yī)療系統(tǒng)使用的電池必須符合 ANSI/AAMI ES 60601-1 等標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)與知名供應(yīng)商合作，確保其選出的電池符合法規(guī)要求。

適用于電池供電型醫(yī)療系統(tǒng)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換方案

電壓調(diào)節(jié)可使所選電池的輸出符合各種系統(tǒng)的輸入電壓要求。例如，3 V 電池可能會(huì)為一條電路提供 2 V 電壓，為另一條電路提供 1.1 V 電壓。當(dāng)電池電壓在放電過(guò)程中降低時(shí)，調(diào)節(jié)功能還可用來(lái)保持可靠的恒定電壓。

用于電壓調(diào)節(jié)的商用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器分為兩大類(lèi)：低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。LDO 比較簡(jiǎn)單，但通常效率不高，而且只能降低電池電壓（降壓）。不過(guò)，LDO 的效率會(huì)隨著輸入和輸出電壓差的減小而提高（效率與 V OUT /VIN 成正比）。LDO 的其他優(yōu)點(diǎn)包括體積小、價(jià)格低以及沒(méi)有開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器固有的電壓紋波噪聲。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率通常較高；部分類(lèi)型可以升高（升壓）和降低（降壓）電池電壓。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜、可能產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)、成本高、印刷電路板（PC 板）尺寸大。

用于醫(yī)療應(yīng)用的高效開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器的一個(gè)例子是 Analog Devices 的 [MAX38640AENT+]。該器件的輸入電壓為 1.8 至 5.5 V，輸出電壓為 0.7 至 3.3 V。這款穩(wěn)壓器支持 175、350 或 700 mA 的負(fù)載電流，峰值效率高達(dá) 96%。此外，在負(fù)載電流低至 10 μA 時(shí)，其效率還能達(dá)到 88%（圖 2）。芯片采用緊湊型 1.42 x 0.89 mm 6 引腳晶圓級(jí)封裝 (WLP) 和 2 x 2 mm 6 引腳 μDFN 封裝。

圖 2：MAX38640 穩(wěn)壓器在寬泛的負(fù)載-電流范圍內(nèi)顯示出優(yōu)良效率，有助于延長(zhǎng)醫(yī)療系統(tǒng)中電池的壽命。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

電池的醫(yī)療應(yīng)用實(shí)例

要求工作時(shí)間為五天的心電圖 (ECG) 胸部貼片是一個(gè)典型應(yīng)用范例。這種貼片是一次性產(chǎn)品，配有不可更換的電池。其具有低功耗藍(lán)牙 (LE) 連接功能，可無(wú)線傳輸心電圖數(shù)據(jù)。

該貼片基于 [MAX30001]心電圖模擬前端 (AFE) 和 [MAX32655]微控制器單元 (MCU)。它還配備了 [MAX30208] 溫度傳感器和 [ADXL367B]加速計(jì)。

由于是一次性貼片應(yīng)用，電池必須價(jià)格低廉、完全密封、體積小且重量輕。這些要求使得紐扣電池成為一種不錯(cuò)的選擇。

終端系統(tǒng)的低功耗藍(lán)牙通信和 MAX32655 MCU 的不同工作模式需要大電流，因此 LMO 和 Ag2O 是合適的電化學(xué)成分。LMO 的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為 3.0 V，比能量是 Ag2O 的兩倍。LMO 可以采用便利的 CR2032 紐扣電池形式，容量高達(dá) 235 mAh。Ag2O 的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為 1.55 V，現(xiàn)有最大的氧化銀紐扣電池是容量為 200 mAh 的 SR44W 電池。

心電圖胸部貼片的負(fù)載曲線是在每天約 45 mAh 的條件下估算的：45 x 5 天 = 225 mAh。這一數(shù)值剛好在 LMO 電池 235 mAh 的容量范圍內(nèi)，但超出了 Ag2O 電池 200 mAh 的容量。因此，LMO 電池是這種醫(yī)療應(yīng)用的最佳選擇。

設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)電路

在電壓調(diào)節(jié)方面，設(shè)計(jì)人員可將 LMO 電池的 3 V 標(biāo)稱(chēng)電壓輸出作為三個(gè) MAX38640 降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸入。

其中兩個(gè)穩(wěn)壓器可為 MAX30001 提供模擬和數(shù)字輸入。兩者均需要 1.1 至 2 V 的電壓，所需的電流也在穩(wěn)壓器的容量范圍內(nèi)。

另一個(gè) MAX38640 穩(wěn)壓器為 MCU、溫度傳感器和加速計(jì)供電。MCU 需要的最小輸入電壓為 2 V，溫度傳感器的最小輸入電壓為 1.7 V，加速計(jì)的最小輸入電壓為 1.1 V。所有三個(gè)器件的電流消耗都在穩(wěn)壓器的容量范圍內(nèi)。圖 3 顯示了將電池壽命延長(zhǎng)至五天的電源設(shè)計(jì)示意圖。

圖 3：在包括 MCU、溫度傳感器和加速計(jì)的心電圖貼片電源設(shè)計(jì)中，三個(gè)高效降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將電池壽命延長(zhǎng)至五天。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

結(jié)語(yǔ)

影響醫(yī)療器械電池選擇的因素有很多。為了最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，確保敏感的集成電路獲得穩(wěn)定、無(wú)噪聲的電壓供應(yīng)，必須使用 LDO 或開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器對(duì)電池輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。每個(gè)類(lèi)別都有許多商用模塊可供選擇，選擇時(shí)主要是在效率、成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡。

審核編輯 黃宇