Gyógyászati eszközökbe szánt telepek kiválasztása és optimalizálása

A legjobb akkumulátor vagy szárazelem (közös néven telep) kiválasztása egy hordozható gyógyászati eszközhöz ugyanolyan fontos, mint a megfelelő processzor, vezeték nélküli kapcsolatot vezérlő IC és flashmemória kiválasztása. A rosszul megválasztott áramforrás komolyan veszélyeztetheti egy egyébként jól megtervezett termék teljesítményét.

Mivel mindegyik fajta telep feszültsége változik az olyan paraméterektől, mint a töltés, a terhelés és a hőmérséklet, szabályozásra van szükség ahhoz, hogy a terhelés mindig megbízható, állandó feszültséget kapjon.

Ez a cikk rövid áttekintést nyújt a gyógyászati eszközökbe alkalmas telepekben használt vegyi anyagokról. Ezután ismertet az Analog Devices által kínált néhány feszültségszabályozási lehetőséget, és egy valós készüléken keresztül mutatja be ezek használatát.

A telepek jellemzőinek megértése

A gyógyászati eszközben használandó telep kiválasztását a következő paraméterek befolyásolják:

• szárazelemre vagy akkumulátorra van-e szükség
• a telep mérete, feszültsége, belső ellenállása, kapacitása és fajlagos energiája
• a telep elektrokémiája
• vonatkozó jogszabályok

A szárazelemek önkisülési árama kisebb, mint az akkumulátoroké, emiatt alkalmasabbak az olyan rendszerekbe, amelyeknél hosszabb idő telik el két használat között. Hátrányuk, hogy a lemerült szárazelemet ki kell cserélni, és le kell selejtezni.

A viszonylag nagy áramfelvételű készülékekbe jobban megfelelnek az akkumulátorok. Ezek általában drágábbak, mint a szárazelemek, és a rendszer összetettsége megnő, mivel töltőáramkört is be kell építeni.

A rendszer méretei segítenek meghatározni a telep fizikai méretkorlátait, míg a telep tervezett üzemideje és a rendszer átlagos áramfelvétele alapján meghatározható a szükséges kapacitás. A nagyobb fajlagos energia (kJ/kg) adott mennyiségű energia tárolása mellett könnyebb telepet tesz lehetővé.

A telep belső ellenállása energiaveszteséget okoz. Ezt az ellenállást befolyásolja az elektrokémia, a ház szerkezeti anyagai és a telep méretei. A kis méretű telepeknek általában nagyobb a belső ellenállásuk, mint a nagyobbaknak. A lítiumos telepeknek általában kisebb a belső ellenállásuk, mint az alkáli típusúaknak, ami az ebből adódó teljesítményveszteség miatt alkalmassá teszi őket a nagy áramfelvételű készülékekbe. Működés közben a telep belső ellenállása többek között a kisütési sebességtől és a kisütés mértékétől, a hőmérséklettől és az akkumulátor életkorától függően változik.

A telep névleges kimenőfeszültségét az elektrokémia határozza meg. Például egy nikkel–cink (NiZn) alkáli szárazelem névleges feszültsége 1,5 V, fajlagos energiája pedig 720 kJ/kg (vagy 200 Wh/kg). A lítium–mangán-oxid (LiMO) szárazelemek névleges feszültsége 3,0 V, fajlagos energiája pedig 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

További gyakori elektrokémiai megoldások a cink–levegő és az ezüst-oxid (Ag₂O). A cink–levegő telepek cink anódból, elektrolitpaszta elválasztóból és környezeti levegő alkotta katódból állnak. Ez a típus általában gombelemméretben kapható. A nem fém katód miatt a cink–levegő telep könnyű és viszonylag olcsó. Meglehetősen lapos a kisütési görbéje, és 1,4 V a névleges kimenőfeszültsége.

Az Ag₂O telepekben ezüst a katód és cink az anód. Névleges kimenőfeszültségük az alkáli elemekhez hasonló, 1,55 V, de általában nagyobb a kapacitásuk, és laposabb a kisütési görbéjük. Ezek a telepek általában biztonságosabbak és hosszabb élettartamúak, mint a hasonló kisütési görbéjű lítiumos telepek.

Az 1. táblázat a különböző típusú szárazelemek jellemzőit foglalja össze.

1. táblázat: A különböző szárazelemek elektrokémiai megoldásainak legkisebb, névleges és legnagyobb feszültsége és fajlagos energiája (táblázat: Analog Devices)

A telep feszültsége a kisütéssel csökken. Az 1. ábra egy AA (ceruzaelem) méretű alkáli elem kimenőfeszültségét mutatja 100 mA állandó terhelőáram esetén. A szabályozásra azért van szükség, hogy a telep vagy telepek egy vagy több folyamatosan állandó értékű feszültséget tudjanak szolgáltatni a rendszer összetevői számára.

1. ábra: A telep feszültsége a kisütés során folyamatosan csökken. Ez a példa egy AA (ceruzaelem) méretű alkáli elem kimenőfeszültségét mutatja 100 mA állandó terhelőáram esetén (kép: Energizer)

A gyógyászati rendszerekben használt akkumulátorokra és szárazelemekre olyan szabványok vonatkoznak, mint az ANSI/AAMI ES 60601-1. A tervezők egy elismert beszállítóval együttműködve biztosíthatják, hogy a kiválasztott telepek megfeleljenek a jogszabályi követelményeknek.

Egyenáram-átalakítási lehetőségek telepes gyógyászati rendszerekhez

A feszültségszabályozás a kiválasztott telep kimenőfeszültségét a rendszer különböző bemenőfeszültség-igényeihez igazítja. Előfordulhat például, hogy egy 3 V-os telep 2 V-ot szolgáltat az egyik áramkörnek, és 1,1 V-ot egy másiknak. A feszültségszabályozás arra is használható, hogy megbízhatóan állandó feszültséget tartson fenn, amikor az akkumulátor feszültsége a kisütés során csökken.

A kereskedelmi forgalomban kapható, feszültségszabályozásra használt egyenáram-átalakítóknak két fő típusuk van: a lineáris, kis feszültségkülönbségű (LDO, low drop-out) feszültségszabályozó és a kapcsolóüzemű feszültségszabályozó. A kis feszültségkülönbségű feszültségszabályozók egyszerűbbek, de általában rosszabb a hatásfokuk, és csak csökkenteni tudják a telep feszültségét, növelni nem. Az ilyen típusú feszültségszabályozóknak annál jobb lesz azonban a hatásfokuk, minél kisebb a bemenő- és a kimenőfeszültség közötti különbség (a hatásfokuk a V_OUT/V_IN értékkel arányos). A kis feszültségkülönbségű feszültségszabályozók további előnyei a kis méret, az alacsonyabb ár és a kapcsolóüzemű feszültségszabályozókra jellemző búgófeszültség miatti zaj hiánya.

A kapcsolóüzemű feszültségszabályozók általában jobb hatásfokúak, és egyes típusai képesek a telep feszültségének növelésére (boost) és csökkentésére (buck) is. A kapcsolóüzemű feszültségszabályozók hátránya a bonyolultságuk, az elektromágneses zavarás (EMI, electromagnetic interference) lehetősége, a magasabb költségek és a nagyobb helyigény a nyomtatott áramköri (nyák) lapon.

(Lásd: Selecting the Correct Regulator for Your Application (A készülékhez megfelelő feszültségszabályozó kiválasztása) és Understanding the Advantages and Disadvantages of Linear Regulators (A lineáris feszültségszabályozók előnyeinek és hátrányainak ismertetése)

Egy példa a gyógyászati készülékekbe szánt, jó hatásfokú kapcsolóüzemű feszültségcsökkentő feszültségszabályzóra az Analog Devices MAX38640AENT+ jelű eszköze. Ez a készülék 1,8 V – 5,5 V bemenőfeszültségről működik, és 0,7 V és 3,3 V közötti kimenőfeszültséget szolgáltat. A feszültségszabályozó 175 mA, 350 mA vagy 700 mA terhelőáram leadására képes 96%-os csúcshatásfokkal. Lefelé egészen 10 µA terhelőáram-erősségig 88%-os hatásfokot kínál (2. ábra). Az IC kis, 1,42 mm × 0,89 mm méretű, 6 lábú WLP (wafer-level package, félvezetőszeleten kialakított), illetve 2 mm × 2 mm méretű, 6 lábú µDFN tokozásban kapható.

2. ábra: A MAX38640 nagy terhelőáram-tartományban jó hatásfokot mutat, ami segít meghosszabbítani a telep üzemidejét a gyógyászati rendszerekben (ábra: Analog Devices)

Példa a telepek gyógyászatban való használatára

Jó példa a felhasználásra egy EKG mellkasi tapasz, amelynek az elvárt üzemideje öt nap. A tapasz eldobható, és szárazelemről működik. Az EKG-adatok vezeték nélküli továbbításához el van látva BLE- (Bluetooth Low Energy, kis fogyasztású Bluetooth) kapcsolattal.

A tapasz alapja egy MAX30001 EKG analóg bemeneti (AFE, analog front-end) áramkör és egy MAX32655 mikrovezérlő (MCU, microcontroller unit). Ezenkívül található benne egy MAX30208 hőmérséklet-érzékelő és egy ADXL367B gyorsulásmérő is.

Mivel az eszköz egy eldobható tapasz, a szárazelemnek olcsónak, teljesen zártnak, kicsinek és könnyűnek kell lennie. Ezek miatt a követelmények miatt jó választás a gombelem.

A végrendszer BLE-kommunikációja és a MAX32655 mikrovezérlő különböző üzemmódjai nagy áramerősséget igényelnek, így a LiMO és az Ag₂O a megfelelő vegyi anyagok. A LiMO névleges kimenőfeszültsége 3,0 V, fajlagos energiája pedig kétszerese az Ag₂O-énak. A LiMO kényelmes, akár 235 mAh kapacitású CR2032-es méretű gombelem formájában is beszerezhető. Az Ag₂O névleges kimenőfeszültsége 1,55 V, és az elérhető legnagyobb gombelemméret az SR44W, amelynek a kapacitása 200 mAh.

Az EKG mellkasi tapasz terhelési profilja a becslések szerint napi 45 mAh körül van: 45 × 5 nap = 225 mAh. Ez még éppen a 235 mAh-s LiMO gombelem kapacitásán belül van, de meghaladja a 200 mAh-s Ag₂O gombelem kapacitását. Emiatt ehhez a gyógyászati eszközhöz a LiMO gombelem a legjobb választás.

A feszültségszabályozó áramkör megtervezése

A feszültségszabályozáshoz a tervező a LiMO gombelem névleges 3 V-os kimenőfeszültségét használhatja három MAX38640 kapcsolóüzemű feszültségcsökkentő feszültségszabályozó bemenőfeszültségeként.

Két ilyen feszültségszabályozó képes táplálni a MAX30001 analóg és digitális bemeneteit. Mindkettő 1,1 V és 2 V közötti feszültséget igényel, és az áramigényük jóval a feszültségszabályozó kapacitásán belül van.

Egy másik MAX38640 feszültségszabályozó látja el a mikrovezérlőt, a hőmérséklet-érzékelőt és a gyorsulásmérőt. A mikrovezérlőnek legalább 2 V bemeneti feszültségre van szüksége, a hőmérséklet-érzékelőnek legalább 1,7 V-ra, a gyorsulásmérőnek pedig legalább 1,1 V-ra. Mindhárom eszköz áramfelvétele bőven a feszültségszabályozó kapacitásán belül van. A 3. ábra a gombelem üzemidejét öt napra növelő tápegység blokkvázlatát mutatja.

3. ábra: Az egy mikrovezérlőt, egy hőmérséklet-érzékelőt és egy gyorsulásmérőt tartalmazó EKG-tapasz tápegységének tervezése során három jó hatásfokú kapcsolóüzemű feszültségcsökkentő feszültségszabályozót (buck regulator) használva a gombelem üzemideje öt napra nő (ábra: Analog Devices)

Összegzés

A gyógyászati eszközök akkumulátorának vagy szárazelemének kiválasztását számos tényező befolyásolja. A telep üzemidejének maximálisra növelése és az érzékeny IC-k stabil és zajmentes feszültségellátásának biztosítása érdekében a telep kimenőfeszültségét kis feszültségkülönbségű feszültségszabályozókkal vagy kapcsolóüzemű feszültségszabályozókkal kell szabályozni. Minden kategóriában számos kereskedelmi forgalomban kapható eszköz áll rendelkezésre, és a választás elsősorban a hatásfok, a költségek és a tervezés bonyolultsága közötti kompromisszumon múlik.