Lääketieteellisten laitteiden paristojen valinta ja optimointi

Kirjoittaja Steven Keeping

Julkaisija DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Parhaan mahdollisen pariston valinta kannettavaan lääketieteelliseen laitteeseen on yhtä tärkeää kuin sopivan prosessorin, langattoman sirun ja flash-muistin valinta. Huonon energialähteen valinta voi merkittävästi heikentää muutoin hyvin suunnitellun tuotteen suorituskykyä.

Koska jokaisen paristotyypin jännite vaihtelee varauksen, kuormituksen ja lämpötilan kaltaisten parametrien mukaan, luotettavan ja tasaisen jännitteen syöttäminen kuormaan vaatii jännitteensäädintä.

Tämä artikkeli tarjoaa lyhyen katsauksen lääketieteellisiin laitteisiin soveltuvista paristokemioista. Artikkelissa esitellään sen jälkeen Analog Devices -yrityksen jänniteregulaattorivaihtoehtoja ja näytetään käytännön sovelluksen avulla, miten niitä voidaan käyttää.

Pariston ominaisuuksien ymmärtäminen

Seuraavat parametrit vaikuttavat pariston valintaan lääketieteellisessä tuotteessa:

  • tarvitaanko ei-ladattavaa (primääri) tai ladattavaa (sekundääri) paristoa
  • pariston koko, jännite, sisäinen resistanssi, kapasiteetti ja ominaisenergia
  • pariston sähkökemia
  • sovellettavat määräykset.

Primääriparistojen itsepurkausvirta on pienempi kuin sekundäärikennojen. Tämän vuoksi ne soveltuvat paremmin järjestelmiin, joissa käyttökertojen välinen aika on pitkä. Haittapuolena on, että kenno täytyy vaihtaa ja hävittää sen purkautumisen jälkeen.

Sekundääriparistot soveltuvat paremmin sovelluksiin, joissa virrankulutus on suhteellisen suuri. Ne ovat yleensä primääriparistoja kalliimpia, ja järjestelmän kompleksisuutta lisää tarve asentaa latauspiiri.

Järjestelmän mitat auttavat määrittelemään rajat pariston fyysiselle koolle, kun taas pariston halutun käyttöiän ja järjestelmän keskiarvoisen virrankulutuksen avulla voidaan määrittää tarvittava kapasiteetti. Korkeampi ominaisenergia (kilojoulea kilogrammaa kohti (kJ/kg)) mahdollistaa kevyemmän pariston käytön saman energiamäärän varastointiin.

Pariston sisäinen resistanssi synnyttää tehohäviöitä. Sähkökemia, pariston rakenteessa käytettävät materiaalit ja pariston mitat vaikuttavat tähän resistanssiin. Lisäksi pienikokoisilla paristoilla on yleensä korkeampi sisäinen resistanssi kuin suuremmilla. Litiumparistoilla on yleensä pienempi sisäinen resistanssi kuin alkaliparistoilla. Näin ne soveltuvat paremmin sovelluksiin, joissa virrankulutus on korkea, koska niiden tehohäviö on alhaisempi. Pariston sisäinen resistanssi vaihtelee käytön aikana muun muassa purkausnopeuden ja -syvyyden, lämpötilan ja pariston iän mukaan.

Pariston nimellinen lähtöjännite määräytyy sen sähkökemian mukaan. Esimerkiksi primäärisen nikkeli-sinkkialkalipariston (NiZn) nimellisjännite on 1,5 volttia ja ominaisenergia 720 kJ/kg (tai 200 wattituntia kilogrammaa kohti (Wh/kg)). Litiummangaanioksidipariston (LMO) nimellisjännite on 3,0 volttia ja ominaisenergia 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

Sinkki-ilma ja hopeaoksidi (Ag2O) ovat muita yleisiä sähkökemioita. Sinkki-ilmaparistot koostuvat sinkkianodista, elektrolyyttitahnaerottimesta ja ympäristöilman katodista. Tätä tyyppiä on yleisesti saatavana nappipariston muodossa. Koska sinkki-ilmaparisto sisältää ei-metallisen katodin, se on kevyt ja suhteellisen edullinen. Sen purkauskäyrä on suhteellisen tasainen ja sen nimellinen lähtöjännite on 1,4 volttia.

Ag2O-paristoissa käytetään hopeakatodia ja sinkkianodia. Niiden nimellislähtöjännite on sama kuin 1,55 voltin alkaliparistoilla, mutta niiden kapasiteetti on yleensä korkeampi ja purkauskäyrä tasaisempi. Nämä paristot ovat yleensä turvallisempia ja pitkäikäisempiä kuin litiumparistot, joilla on samankaltainen purkauskäyrä.

Taulukko 1 näyttää yhteenvedon erilaisista primääriparistotyypeistä.

Primääripariston kenno Min. V Nim. V Maks. V Ominaisenergia
Alkali 1,1 1,5 1,65 200 Wh/kg
Sinkki-ilma 0,9 1,4 1,68 400 Wh/kg
Litium-mangaani 2 3 3,4 280 Wh/kg
Litium-disulfidi 0,9 1,5 1,8 300 Wh/kg
Hopeaoksidi 1,2 1,55 1,85 130 Wh/kg

Taulukko 1: Näyttää vähimmäis-, nimellis- ja enimmäisjännitteet sekä ominaisenergian eri primääriparistokemioille. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Pariston jännite laskee sen purkautuessa. Kuva 1 näyttää AA-alkalipariston lähtöjännitteen tasaisella 100 milliampeerin (mA) kuormitusvirralla. Jännitteen säätö on välttämätöntä, jotta paristo tai paristot voisivat syöttää yhden tai useamman tasaisen ja stabiilin jännitteen järjestelmän komponenteille.

Kuvaaja: Pariston jännite laskee kun sen energia purkautuuKuva 1: Pariston jännite laskee kun sen energia purkautuu. Tämä esimerkki näyttää AA-alkalipariston lähtöjännitteen tasaisella 100 mA:n kuormitusvirralla. (Kuvan lähde: Energizer)

Lääketieteellisissä järjestelmissä käytettäviin paristoihin sovelletaan sellaisia standardeja kuten ANSI/AAMI ES 60601-1. Yhteistyössä hyvämaineisen valmistajan kanssa voidaan varmistaa, että myytävät paristot täyttävät lakisääteiset vaatimukset.

DC/DC-muunnosvaihtoehdot lääketieteellisiin paristokäyttöisiin järjestelmiin

Jännitteen säätö sovittaa valitun pariston lähdön järjestelmän eri tulojännitevaatimuksiin. 3 voltin pariston voidaan esimerkiksi olettaa syöttävän 2 volttia yhteen piiriin ja 1,1 volttia toiseen piiriin. Jännitteen säätöä voidaan käyttää myös luotettavan vakiojännitteen ylläpitoon, kun pariston jännite laskee pariston varausta purettaessa.

Jännitteen regulointiin tarkoitettuja kaupallisia DC/DC-muuntimia on kahta pääluokkaa: LDO (Low Drop-Out) -regulaattori ja hakkuriregulaattori. LDO-regulaattorit ovat yksinkertaisempia, mutta yleensä niiden hyötysuhde on alhaisempi, ja niillä voidaan vain laskea pariston jännitettä. LDO-regulaattorin hyötysuhde kuitenkin kasvaa tulo- ja lähtöjännite-eron pienetessä (hyötysuhde on verrannollinen arvoon VOUT/VIN). Kompakti koko, alhaisempi hinta ja hakkuriregulaattoreille ominaisen jännitteen aaltoilukohinan puuttuminen ovat muita LDO-regulaattorien etuja.

Hakkuriregulaattorit tarjoavat yleensä korkeamman hyötysuhteen ja jotkin mallit voivat korottaa ja laskea pariston jännitettä. Hakkuriregulaattorien huonoja puolia ovat suunnittelun kompleksisuus, mahdolliset sähkömagneettiset häiriöt (EMI) ja kustannukset. Ne myös vaativat enemmän tilaa piirilevyltä.

(Katso ”Sopivan regulaattorin valitseminen sovellukseen” ja ”Lineaariregulaattoreiden etujen ja haittojen ymmärtäminen”.)

Yksi esimerkki erittäin tehokkaasta lääketieteellisiin sovelluksiin suunnatusta jännitteenalennusregulaattorista on Analog Devices MAX38640AENT+. Tämä laite toimii 1,8–5,5 voltin syöttöjännitteellä ja tarjoaa lähtöjännitteen 0,7–3,3 volttia. Regulaattori tukee 175, 350 tai 700 mA:n kuormitusvirtoja 96 %:n huippuhyötysuhteella. Se tarjoaa 88 prosentin hyötysuhteen myös 10 mikroampeerin (µA) kuormitusvirroilla (kuva 2). Siru toimitetaan kompaktissa 1,42 x 0,89 millimetrin (mm) kokoisessa 6-nastaisessa WLP (Wafer Level Package) -kotelossa ja 2 x 2 mm:n kokoisessa 6-nastaisessa µDFN-kotelossa.

Kuvaaja: Analog Devices MAX38640 -regulaattori tarjoaa korkean hyötysuhteen laajalla kuormitusvirta-alueellaKuva 2: MAX38640-regulaattori tarjoaa korkean hyötysuhteen laajalla kuormitusvirta-alueella, mikä auttaa pidentämään pariston kestoa lääketieteellisissä järjestelmissä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Esimerkki lääketieteellisestä paristosovelluksesta

EKG-rintalaastari, jolle halutaan viiden päivän käyttöaika, on hyvä sovellusesimerkki. Laastari on kertakäyttöinen ja siihen kuuluu ei-vaihdettava paristo. Se tarjoaa Bluetooth Low Energy (LE) -yhteyden EKG-datan langattomaan siirtoon.

Laastari perustuu analogiseen EKG-etuasteeseen (AFE) MAX30001 ja mikrokontrolleriyksikköön (MCU) MAX32655. Sen ominaisuuksiin kuuluvat myös MAX30208-lämpötila-anturi ja ADXL367B-kiihtyvyysanturi.

Koska sovellus on kertakäyttöinen laastari, pariston on oltava edullinen, täysin suljettu, pieni ja kevyt. Näiden vaatimusten vuoksi nappiparisto on muodoltaan hyvä valinta.

Loppujärjestelmän Bluetooth LE -kommunikaatio ja MAX32655-mikrokontrollerin eri toimintatilat vaativat paljon virtaa, joten LMO- ja Ag2O-paristot ovat sopiva kemioita. LMO-pariston nimellislähtöjännite on 3,0 volttia ja sen ominaisenergia on kaksinkertainen Ag2O-paristoon verrattuna. LMO-paristo on saatavana kätevässä CR2032-nappiparistomuodossa, jonka kapasiteetti on jopa 235 milliampeerituntia (mAh). Ag2O-pariston nimellinen lähtöjännite on 1,55 volttia, ja suurin saatavilla oleva nappiparistokoko on SR44W 200 mAh:n kapasiteetilla.

EKG-rintalaastarin kuormitusprofiilin arvioidaan olevan noin 45 mAh päivässä: 45 x 5 päivää = 225 mAh. Tämä on juuri ja juuri 235 mAh:n LMO-pariston kapasiteetin rajoissa, mutta ylittää 200 mAh:n Ag2O-kennon kapasiteetin. LMO-paristo on näin ollen paras vaihtoehto tähän lääketieteelliseen sovellukseen.

Jännitteensäätöpiirin suunnittelu

Suunnittelija voi käyttää jännitteen regulointiin LMO-pariston nimellistä 3 voltin lähtöä ja ohjata sen kolmen MAX38640-jännitteenalennus-hakkuriregulaattorin tuloihin.

Kaksi näistä regulaattoreista voi syöttää jännitettä analogisen MAX30001-etuasteen analogiseen ja digitaaliseen tuloon. Molemmat vaativat 1,1–2 voltin syöttöjännitteen sekä virran, joka on selvästi regulaattorin kapasiteetin puitteissa.

Kolmas MAX38640-regulaattori syöttää virtaa mikrokontrollerille, lämpötila-anturille ja kiihtyvyysanturille. Mikrokontrolleri vaatii vähintään 2 voltin tulojännitteen, lämpötila-anturi vähintään 1,7 volttia ja kiihtyvyysanturi vähintään 1,1 volttia. Kaikkien kolmen laitteen virrankulutus on hyvin regulaattorin kapasiteetin puitteissa. Kuvassa 3 esitetään kaavio virransyöttöratkaisusta, joka pidentää pariston käyttöiän viiteen päivään.

Kaavio mikrokontrolleria, lämpötila-anturia ja kiihtyvyysanturia käyttävän EKG-laastarin virransyöttöratkaisustaKuva 3: Mikrokontrolleria, lämpötila-anturia ja kiihtyvyysanturia käyttävän EKG-laastarin virransyöttöratkaisuun sisältyy kolme tehokasta jännitteenalennus-hakkuriregulaattoria, jotka pidentävät pariston käyttöiän viiteen päivään. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Yhteenveto

Lääketieteellisten laitteiden pariston valintaan vaikuttaa useita tekijöitä. Jotta pariston käyttöikä voidaan maksimoida ja varmistaa, että herkät mikropiirit saavat stabiilin ja häiriöttömän jännitteensyötön, pariston lähtöjännitettä on säädettävä joko LDO-regulaattoreilla tai hakkurimuuntimilla. Kummassakin luokassa on saatavilla monia kaupallisia moduuleja, ja valinta on ensisijaisesti tehokkuuden, kustannusten ja suunnittelun kompleksisuuden välinen kompromissi.

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

Tietoja kirjoittajasta

Image of Steven Keeping

Steven Keeping

Steven Keeping toimii avustavana kirjoittajana DigiKey Electronicsille. Hän suoritti HNC-tutkinnon sovelletussa fysiikassa Bournemouthin yliopistossa Englannissa ja diplomi-insinöörin tutkinnon Brightonin yliopistossa Englannissa. Tämän jälkeen hän aloitti seitsenvuotisen uran elektroniikan tuotantoinsinöörinä yrityksissä Eurotherm ja BOC. Viimeiset kaksi vuosikymmentä Steven on työskennellyt teknologiajournalistina ja julkaisijana. Steven muutti Sydneyhyn vuonna 2001 voidakseen ajaa katu- ja maastopolkupyöriä ympäri vuoden, ja hän työskenteli Australian Electronics Engineering -julkaisun päätoimittajana. Steven siirtyi freelance-journalistiksi vuonna 2006 ja hänen erityisosaamiseensa kuuluvat RF, ledit ja tehonhallinta.

Tietoja tästä julkaisijasta

DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa