Batterijen voor medische hulpmiddelen selecteren en optimaliseren

Het kiezen van de beste batterij voor een draagbaar medisch hulpmiddel is net zo belangrijk als de keuze van de juiste processor, draadloze chip en flashgeheugen. Een slechte voeding kan de prestaties van een verder goed ontworpen product ernstig benadelen.

Omdat de spanning van elk type batterij varieert en afhankelijk is van parameters zoals lading, belasting en temperatuur, is regeling nodig om een betrouwbare constante spanning naar de belasting te garanderen.

Dit artikel begint met een kort overzicht van de soorten batterijchemie die geschikt zijn voor medische hulpmiddelen. Vervolgens worden diverse opties voor spanningsregeling van Analog Devices geïntroduceerd en wordt aan de hand van een praktische toepassing getoond hoe deze worden gebruikt.

Batterijeigenschappen begrijpen

De onderstaande parameters zijn belangrijk bij de juiste keuze van een batterij voor een medisch product:

• Vereiste van een primaire of secundaire (oplaadbare) batterij.
• De batterijgrootte, spanning, interne weerstand, capaciteit en specifieke energie.
• De elektrochemie van de batterijen.
• Van toepassing zijnde regelgeving.

Primaire batterijen hebben een lagere zelfontladingsstroom dan secundaire cellen. Hierdoor zijn ze beter geschikt voor systemen met een langere tijdsduur tussen gebruiken. Het nadeel is dat de cel moet worden vervangen en weggegooid als hij leeg is.

Secundaire batterijen zijn beter geschikt voor toepassingen met een relatief hoge stroomafname. Ze zijn over het algemeen duurder dan primaire cellen en de complexiteit van het systeem neemt toe omdat er laadcircuits moeten worden ingebouwd.

De systeemafmetingen bepalen de beperkingen voor de fysieke grootte van de batterij, terwijl de beoogde levensduur van de batterij en de gemiddelde stroomafname van het systeem helpen bij het bepalen van de vereiste capaciteit. Een batterij met een grotere specifieke energie (kilojoules per kilogram (kJ/kg)) kan lichter zijn voor een bepaalde energieopslag.

De interne weerstand van een batterij dissipeert energie. Elektrochemie, materialen voor de behuizing en afmetingen van de batterij beïnvloeden deze weerstand. Bovendien hebben compacte batterijen vaak een hogere interne weerstand dan grotere batterijen. Lithiumbatterijen hebben over het algemeen een lagere inwendige weerstand dan alkalinebatterijen, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen die veel stroom trekken vanwege de resulterende vermogensdissipatie. Tijdens het gebruik varieert de interne weerstand van een batterij, afhankelijk van onder andere de ontladingssnelheid en -diepte, de temperatuur en de leeftijd van de batterij.

De nominale uitgangsspanning van een batterij wordt bepaald door de elektrochemie. Een primaire nikkel-zink (NiZn) alkalinebatterij heeft bijvoorbeeld een nominale spanning van 1,5 volt en een specifieke energie van 720 kJ/kg (of 200 wattuur per kilogram (Wh/kg)). Een primaire lithiummangaanoxide-batterij (LMO) heeft een nominale spanning van 3,0 volt en een specifieke energie van 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

Zink-lucht en zilveroxide (Ag₂O) is een andere veelgebruikte elektrochemie. Zink-lucht-batterijen bestaan uit een zinkanode, een elektrolytische pastascheider en een omgevingsluchtkathode. Dit type is meestal verkrijgbaar als knoopcelbatterij. Vanwege de niet-metalen kathode is een zink-lucht-batterij licht van gewicht en relatief goedkoop. Hij heeft een relatief vlakke ontlaadcurve en een nominale uitgangsspanning van 1,4 volt.

Ag₂O-batterijen combineren een zilveren kathode en een zinkanode. Ze hebben een nominale uitgangsspanning die vergelijkbaar is met de 1,55 volt van alkalinebatterijen, maar hebben meestal een hogere capaciteit en een vlakkere ontlaadcurve. Deze batterijen zijn over het algemeen veiliger en hebben een langere levensduur dan lithiumbatterijen met een vergelijkbare ontlaadcurve.

Tabel 1 geeft een overzicht van de verschillende typen primaire batterijen.

Tabel 1: De minimale, nominale en maximale spanning en specifieke energie voor verschillende elektrochemische primaire batterijen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De batterijspanning neemt af bij ontlading. Afbeelding 1 toont de uitgangsspanning van een AA-alkalinebatterij met een constante stroombelasting van 100 milliampère (mA). Regeling is nodig om te zorgen dat de batterij of batterijen een of meer continu stabiele spanningen kunnen leveren voor de onderdelen van het systeem.

Afbeelding 1: De batterijspanning neemt af naarmate de batterij ontlaadt. Dit voorbeeld toont de uitgangsspanning van een AA-alkalinebatterij onder een constante stroombelasting van 100 mA. (Bron afbeelding: Energizer)

Batterijen voor medische systemen zijn onderworpen aan normen zoals ANSI/AAMI ES 60601-1. Ontwerpers kunnen ervoor zorgen dat de batterijen op hun shortlist voldoen aan de wettelijke vereisten door samen te werken met een gerespecteerde leverancier.

DC/DC-conversieopties voor medische batterijgevoede systemen

De spanningsregeling stemt de uitgang van de geselecteerde batterij af op verschillende vereisten voor de ingangsspanning van het systeem. Zo kan een batterij van 3 volt naar verwachting 2 volt leveren aan één circuit en 1,1 volt aan een ander circuit. Een regelaar kan ook worden gebruikt om een betrouwbare constante spanning te handhaven wanneer de batterijspanning tijdens ontlading afneemt.

Er zijn twee hoofdcategorieën van commerciële DC/DC-converters voor spanningsregeling: de lineaire LDO-regelaar met lage uitval (LDO) en de schakelende regelaar. LDO’s zijn eenvoudiger, maar zijn over het algemeen minder efficiënt en kunnen alleen de batterijspanning verlagen (buck). Een LDO wordt echter efficiënter naarmate het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning kleiner wordt (de efficiëntie is evenredig met V_OUT/V_IN). Andere voordelen van LDO’s zijn de compacte afmetingen, de lagere prijs en het ontbreken van spanningsrimpelruis die inherent is aan schakelende regelaars.

Schakelende regelaars bieden over het algemeen een hogere efficiëntie; sommige types kunnen de batterijspanning verhogen (boost) en verlagen (buck). De nadelen van schakelende regelaars zijn de complexiteit van het ontwerp, een potentieel voor elektromagnetische interferentie (EMI), de kosten en een grotere voetafdruk op de printplaat.

(Zie ‘De juiste regelaar voor uw toepassing selecteren’ en ‘De voor- en nadelen van lineaire regelaars begrijpen’).

Een voorbeeld van een zeer efficiënte schakelende buckregelaar voor medische toepassingen is de MAX38640AENT+ van Analog Devices. Dit component werkt op een ingang van 1,8 tot 5,5 volt en levert een uitgangsspanning tussen 0,7 en 3,3 volt. De regelaar ondersteunt een belastingsstroom van 175, 350 of 700 mA met een piekrendement van 96%. Ook biedt hij ook 88% efficiëntie bij een belastingsstroom tot 10 microampère (µA) (afbeelding 2). De chip wordt geleverd in een compacte 1,42 x 0,89 millimeter (mm), 6-pins wafer level package (WLP) en een 2 x 2 mm, 6-pins µDFN-pakket.

Afbeelding 2: De MAX38640 heeft een goede efficiëntie over een breed belastingsstroombereik, waardoor de levensduur van de batterij in medische systemen wordt verlengd. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Voorbeeld van een medische batterijtoepassing

Een borstpatch voor een elektrocardiogram (ecg) met een gewenste duur van vijf dagen is een goed toepassingsvoorbeeld. De patch is wegwerpbaar, met een niet-vervangbare batterij. De ecg-gegevens worden draadloos verzonden via Bluetooth Low Energy (LE) connectiviteit.

De patch is gebaseerd op een MAX30001 ecg analoog front-end (AFE) en een MAX32655 microcontroller unit (MCU). Hij bevat ook een MAX30208-temperatuursensor en een ADXL367B-versnellingsmeter.

Omdat dit een wegwerppatch is, moet de batterij goedkoop, volledig afgesloten, klein en licht zijn. Deze vereisten maken een knoopcel een goede keuze.

De Bluetooth LE-communicatie van het eindsysteem en de verschillende bedrijfsmodi van de MAX32655-MCU vereisen een hoge stroom, waardoor LMO en Ag₂O geschikte chemische stoffen zijn. LMO heeft een nominale uitgangsspanning van 3,0 volt en een specifieke energie die dubbel zo hoog is als die van Ag₂O. LMO is verkrijgbaar als handige CR2032-knoopcel met een capaciteit tot 235 milliampère-uur (mAh). Ag₂O heeft een nominale uitgangsspanning van 1,55 volt en de grootste beschikbare vorm van een knoopcel is de SR44W-batterij met een capaciteit van 200 mAh.

Het belastingsprofiel voor de ecg-borstpatch wordt geschat op ongeveer 45 mAh per dag: 45 x 5 dagen = 225 mAh. Dit is net binnen de LMO-batterijcapaciteit van 235 mAh maar meer dan 200 mAh van de Ag₂O-cel. De LMO-batterij is daarom de beste keuze voor deze medische toepassing.

Het spanningsregelcircuit ontwerpen

Voor spanningsregeling kan de ontwerper de nominale 3V-uitgang van de LMO-batterij gebruiken als ingang voor drie MAX38640 schakelende buckregelaars.

Twee van deze regelaars kunnen de analoge en digitale ingangen van de MAX30001 voeden. Ze hebben beide een voeding nodig tussen 1,1 en 2 volt en verbruiken een stroom die ruim binnen de capaciteit van de regelaar ligt.

Een andere regelaar van de MAX38640 voedt de MCU, temperatuursensor en versnellingsmeter. De MCU heeft een minimale ingangsspanning van 2 volt nodig, de temperatuursensor vereist een minimale spanning van 1,7 volt en de versnellingsmeter heeft een minimale vereiste van 1,1 volt. Het stroomverbruik van alle drie de apparaten valt ruim binnen de capaciteit van de regelaar. Afbeelding 3 toont een schema van het voedingsontwerp dat de levensduur van de batterij verlengt tot vijf dagen.

Afbeelding 3: In het voedingsontwerp voor een ecg-patch met een MCU, temperatuursensor en versnellingsmeter zorgen drie efficiënte buck-schakelregelaars ervoor dat de batterij vijf dagen meegaat. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

De batterijkeuze voor medische hulpmiddelen is afhankelijk van verschillende factoren. Voor een maximale levensduur van de batterij en een stabiele en ruisvrije voeding voor gevoelige IC’s moet de uitgang van de batterij worden geregeld door LDO’s of schakelende converters. Er zijn voor elke categorie veel commerciële modules beschikbaar en de keuze is vooral een afweging tussen efficiëntie, kosten en ontwerpcomplexiteit.