Napětí jakéhokoli typu baterie je závislé na stavu nabití, připojené zátěži a teplotě. Proto je nutné zajistit regulační mechanismy, aby bylo zajištěno spolehlivé konstantní napětí na zátěži. Tento článek poskytuje stručný přehled baterií vhodných pro lékařská zařízení. Poté si přestavíme možnosti regulace napětí od Analog Devices a pomocí praktické aplikace si ukážeme jejich použití.
Vlastnosti baterií
Následující parametry ovlivňují výběr baterie pro zdravotnické zařízení:
- Zda se jedná o primární (jednorázovou) nebo sekundární (dobíjecí) baterii
- Velikost baterie, výstupní napětí, vnitřní odpor, kapacita, gravimetrická energie (hustota energie)
- Elektrochemické složení baterií
- Platné předpisy
Primární baterie (jednorázové) mají většinou nižší samovybíjecí proud než sekundární (nabíjecí) články. Díky tomu jsou primární baterie vhodné pro systémy s delší dobou používání. Nevýhodou je nutnost výměny a likvidace článku po vybití. Sekundární baterie (dobíjecí) jsou vhodné pro aplikace s relativně vysokým odběrem proudu. Jsou obecně dražší než primární články, ale celý systém je složitější, jelikož je nutné začlenit nabíjecí obvody. Rozměry zařízení určují fyzickou velikost baterie. Kdežto cílová životnost baterie a průměrný odběr proudu pomáhají určit požadovanou kapacitu. Gravimetrická energie (hustota energie) nebo též specific energy je měřítkem toho, kolik energie baterie obsahuje ve srovnání s její hmotností a obvykle se vyjadřuje ve Wh/kg. Větší gravimetrická energie znamená baterii s menší hmotností. Vnitřní odpor baterie způsobuje ztrátu energie. Tento odpor je ovlivněn elektrochemickými prvky, konstrukčními materiály a rozměry baterie. Kompaktní baterie mají obvykle vyšší vnitřní odpor než ty větší.
Lithiové baterie se obecně vyznačují nižším vnitřním odporem než alkalické, díky čemuž jsou vhodné pro aplikace s vysokým odběrem proudu. Během provozu se bude vnitřní odpor baterie lišit v závislosti na rychlosti a hloubce vybíjení, teplotě, stáří baterie a dalších faktorech.
Jmenovité výstupní napětí baterie je určeno její elektrochemickou strukturou. Jednorázová nikl-zinková alkalická baterie (NiZn) má jmenovité napětí 1,5 V a hustotu energie 720 kJ/kg (neboli 200 Wh/kg). Jednorázová baterie s oxidem lithným a manganovým (LMO) má jmenovité napětí 3,0 V a hustotu energie 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).
Zinek-vzduch a oxid stříbrný (Ag2O) jsou další běžné elektrochemické materiály v bateriích. Zinko-vzduchové baterie obsahují zinkovou anodu, separátor elektrolytické pasty a katodu z okolního vzduchu. Tento typ se běžně dodává ve tvaru mince - tzv. knoflíková baterie. Díky své nekovové katodě je zinko-vzduchová baterie lehká a poměrně levná. Vyznačuje se relativně plochou vybíjecí křivkou a jmenovitým výstupním napětím 1,4 V.
Ag2O baterie kombinují stříbrnou katodu a zinkovou anodu. Mají jmenovité výstupní napětí podobné alkalickým bateriím 1,55 V, ale mají vyšší kapacitu a plošší vybíjecí křivku. Tyto baterie jsou obecně bezpečnější a mají delší životnost než lithiové baterie s podobnou křivkou vybíjení.
Tabulka 1: Minimální, jmenovité a maximální napětí a hustota energie pro různé elektrochemické baterie. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Napětí baterie s vybíjením klesá. Obrázek 1 ukazuje výstupní napětí alkalické baterie AA s konstantní proudovou zátěží 100 mA. Regulace napětí je nutná, aby se zajistilo stabilní výstupní napětí na zátěži.
Obrázek 1: Napětí baterie se snižuje s vybíjením energie. Tento příklad ukazuje výstupní napětí alkalické baterie AA při konstantním proudovém zatížení 100 mA. (Zdroj obrázku: Energizer )
Baterie pro lékařské systémy podléhají specifickým normám jako je ANSI/AAMI ES 60601-1, proto je nutné zajistit, aby baterie tyto regulační požadavky splňovaly.
DC/DC měnič pro lékařské bateriově napájené systémy
Regulace napětí přizpůsobuje výstup zvolené baterie na požadované vstupní napětí systému. Například 3 V baterie bude dodávat 2 V do jednoho obvodu a 1,0 V do druhého. Regulaci lze také použít k udržení spolehlivého konstantního napětí, když napětí baterie během vybíjení klesá. Existují dvě hlavní kategorie DC/DC měničů pro regulaci napětí: lineární low-drop-out (LDO) regulátor a spínací regulátor. LDO regulátory jsou jednodušší, ale jsou méně účinné a mohou pouze napětí baterie snížit. LDO regulátor je účinnější, když rozdíl vstupního a výstupního napětí je malý (účinnost je úměrná poměru VOUT/V IN ). Kompaktní velikost, nízká cena a menší šum zvlnění napětí než spínací regulátor jsou další výhody LDO regulátorů.
Spínací regulátory obecně nabízejí vyšší účinnost a jsou schopny napětí zvýšit i snížit. Nevýhodou spínacích regulátorů je jejich složitost konstrukce, potenciál pro vyšší elektromagnetické rušení (EMI), vyšší cena a větší půdorys. Více informací naleznete v článcích Výběr správného regulátoru pro vaši aplikaci a Pochopení výhod a nevýhod lineárních regulátorů.
Jedním z příkladů vysoce účinného spínacího regulátoru pro lékařské aplikace je MAX38640AENT+ od Analog Devices. Regulátor pracuje se vstupem od 1,8 do 5,5 V a poskytuje výstup mezi 0,7 a 3,3 V. Je schopen dodat proud 175, 350 nebo 700 mA s účinností 96 %. Nabízí také 88% účinnost při proudech do 10 µA (obrázek 2). Regulátor je dodáván v kompaktním 6 pinovém pouzdře WLP o velikosti 1,42 x 0,89 mm a 6 pinovém µDFN pouzdře o velikosti 2 x 2 mm.
Obrázek 2: MAX38640 se vyznačuje vysokou účinností v širokém rozsahu zátěžového proudu, a to pomáhá prodloužit životnost baterie v lékařských systémech. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Elektrokardiogram jako příklad lékařské bateriové aplikace
Jednorázová elektrokardiogramová (EKG) hrudní náplast s dobou provozu na pět dnů s nevyměnitelnou baterií je vybavena konektivitou Bluetooth Low Energy (LE) pro bezdrátový přenos dat EKG. EKG náplast je založena na analogovém front-endu EKG (AFE) MAX30001 a mikrokontroleru MAX32655. Je také vybaven teplotním senzorem MAX30208 a akcelerometrem ADXL367B.
Protože se jedná o jednorázovou náplast, baterie musí být levná, plně utěsněná, malá a lehká. Díky těmto požadavkům je knoflíková baterie dobrou volbou. Komunikace Bluetooth LE a různé provozní režimy MCU MAX32655 vyžadují vysoké proudy, které se vyskytují během probuzení a nabíhání systému. Takže typ baterie LMO a Ag2O jsou ideální volbou. LMO má jmenovité výstupní napětí 3,0 V a hustotu energie dvojnásobnou oproti Ag2O. LMO může být napájen z knoflíkové baterie CR2032 s kapacitou 235 mAh. Ag2O má jmenovité výstupní napětí 1,55 V a největší dostupná knoflíková baterie tohoto typu je SR44W s kapacitou 200 mAh. Spotřeba energie EKG hrudní náplasti se odhaduje na 45 mAh za den. To je 45 x 5 dní = 225 mAh. To je v rámci kapacity 235 mAh LMO baterie, ale za hranicí kapacity 200 mAh Ag2O baterie. Baterie LMO je proto nejlepší volbou pro tuto lékařskou aplikaci.
Návrh obvodu regulace napětí
Pro regulaci napětí je možné použít výstup z LMO baterie o velikosti 3 V jako vstup pro tři spínací buck regulátory MAX38640. Dva z těchto regulátorů napájí analogové a digitální vstupy MAX30001. Oba vyžadují napájení mezi 1,1 a 2 V a vyžadují proud v rámci kapacity regulátoru.
Další regulátor MAX38640 napájí MCU, teplotní senzor a akcelerometr. MCU vyžaduje minimální vstupní napětí 2 V, teplotní senzor má minimální požadavek na 1,7 V a akcelerometr má požadavek na 1,1 V. Proudový odběr všech tří zátěží je v rámci možností regulátoru. Obrázek 3 ukazuje schéma návrhu napájecího zdroje, který zajišťuje životnost baterie na pět dní.
Obrázek 3: V návrhu napájecího zdroje pro EKG náplast s MCU, teplotním senzorem a akcelerometrem zajišťují tři účinné spínací regulátory výdrž baterie na pět dní. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Závěr
Výběr baterie pro lékařské přístroje ovlivňuje několik faktorů. Aby se zajistila dostatečná životnost baterie, a že citlivé integrované obvody budou napájeny stabilním a bezšumovým napájením, musí být výstup baterie regulován buď LDO regulátorem nebo spínacím regulátorem. Pro každou kategorii je k dispozici mnoho variant a správný výběr je kompromisem mezi účinností, cenou a složitostí designu.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
