การเลือกและการเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่ในอุปกรณ์การแพทย์

การเลือกแบตเตอรี่ที่ดีที่สุดสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์แบบพกพามีความสำคัญพอๆ กับการเลือกโปรเซสเซอร์, ชิปไร้สาย และหน่วยความจำแฟลชที่เหมาะสม การเลือกแหล่งพลังงานที่ไม่ดีอาจส่งผลร้ายแรงต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี

เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ทุกประเภทจะแตกต่างกันไปตามพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ประจุ โหลด และอุณหภูมิ จึงจำเป็นต้องมีการควบคุมเพื่อให้แน่ใจว่าโหลดมีแรงดันไฟฟ้าจะคงที่

บทความนี้จะอธิบายภาพรวมโดยสังเขปเกี่ยวกับเคมีของแบตเตอรี่ที่เหมาะกับอุปกรณ์ทางการแพทย์ จากนั้นจะแนะนำตัวเลือกการควบคุมแรงดันไฟฟ้าจาก Analog Devices และการใช้งานในทางปฏิบัติเพื่อแสดงวิธีการนำไปใช้

ทำความเข้าใจคุณลักษณะของแบตเตอรี่

พารามิเตอร์ต่อไปนี้มีอิทธิพลต่อการเลือกแบตเตอรี่สำหรับผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์:

• ข้อกำหนดของแบตเตอรี่หลักหรือสำรอง (แบบชาร์จได้)
• ขนาดแบตเตอรี่ แรงดันไฟฟ้า ความต้านทานภายใน ความจุ และพลังงานจำเพาะ
• เคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่
• กฎระเบียบที่ใช้บังคับ

แบตเตอรี่หลักมีกระแสคายประจุเองต่ำกว่าเซลล์สำรอง ทำให้เหมาะสำหรับระบบที่มีระยะเวลาการใช้งานนานขึ้น ข้อเสียคือจำเป็นต้องเปลี่ยนและทิ้งแบตเตอรี่นั้นไป

แบตเตอรี่สำรองจะเหมาะกับการใช้งานที่มีการดึงกระแสค่อนข้างสูง โดยทั่วไปจะมีราคาแพงกว่าเซลล์แบตเตอรี่หลัก และความซับซ้อนของระบบก็เพิ่มขึ้นเนื่องจากจำเป็นต้องรวมวงจรการชาร์จเข้าด้วยกัน

ขนาดของระบบช่วยกำหนดข้อจำกัดเกี่ยวกับขนาดทางกายภาพของแบตเตอรี่ ในขณะที่อายุการใช้งานแบตเตอรี่เป้าหมายและการดึงกระแสไฟโดยเฉลี่ยของระบบช่วยกำหนดความจุที่ต้องการ พลังงานจำเพาะที่มากขึ้น (กิโลจูลต่อกิโลกรัม (kJ/kg)) ช่วยให้แบตเตอรี่มีน้ำหนักเบากว่าสำหรับการจัดเก็บพลังงานที่กำหนด

ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่จะกระจายพลังงาน เคมีไฟฟ้า วัสดุของเคส และขนาดแบตเตอรี่มีอิทธิพลต่อความต้านทานนี้ นอกจากนี้ แบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัดมักจะมีความต้านทานภายในสูงกว่าแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ โดยทั่วไปแบตเตอรี่ลิเธียมมีความต้านทานภายในต่ำกว่าประเภทอัลคาไลน์ ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานดึงกระแสสูงเนื่องจากการสูญเสียพลังงานที่เกิดขึ้น ในระหว่างการทำงาน ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอัตราและระดับของการคายประจุ อุณหภูมิ และอายุของแบตเตอรี่ รวมถึงปัจจัยอื่นๆ

แรงดันไฟขาออกที่กำหนดของแบตเตอรี่ถูกกำหนดโดยเคมีไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่อัลคาไลน์นิกเกิล-สังกะสี (NiZn) หลักมีแรงดันไฟฟ้าปกติ 1.5 โวลต์และพลังงานจำเพาะ 720 kJ/kg (หรือ 200 วัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม (Wh/kg)) แบตเตอรี่ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LMO) หลักมีแรงดันไฟฟ้าทั่วไป 3.0 โวลต์และพลังงานจำเพาะ 1008 kJ/kg (280 Wh/kg)

Zinc-air และซิลเวอร์ออกไซด์ (Ag₂O) เป็นเคมีไฟฟ้าทั่วไปอื่นๆ แบตเตอรี่ Zinc-air ประกอบด้วยซิงค์แอโนด ตัวแยกเป็นวัสดุอิเล็กโทรไลต์เหนียว และมีอากาศโดยรอบเป็นแคโทด โดยทั่วไปมีจำหน่ายประเภทนี้ในรูปแบบเซลล์แบบเหรียญ เนื่องจากแบตเตอรี่ Zinc-air มีแคโทดที่ไม่ใช่โลหะ จึงมีน้ำหนักเบาและมีราคาไม่แพงนัก มีกราฟการคายประจุที่ค่อนข้างแบนและแรงดันเอาต์พุตปกติที่ 1.4 โวลต์

แบตเตอรี่ Ag₂O รวมแคโทดเงินและขั้วบวกสังกะสี มีแรงดันไฟเอาท์พุตปกติคล้ายกับแบตเตอรี่อัลคาไลน์ 1.55 โวลต์ แต่มีแนวโน้มที่จะจ่ายให้กับความจุที่สูงกว่าและมีกราฟการคายประจุที่ราบเรียบกว่า โดยทั่วไปแบตเตอรี่เหล่านี้จะปลอดภัยกว่าและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีกราฟประจุใกล้เคียงกัน

ตารางที่ 1 สรุปแบตเตอรี่หลักประเภทต่างๆ

ตารางที่ 1: แสดงเป็นแรงดันไฟฟ้าต่ำสุด ทั่วไป และสูงสุด และพลังงานจำเพาะสำหรับเคมีไฟฟ้าหลักต่างๆ ของแบตเตอรี่ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แรงดันไฟแบตเตอรี่ลดลงเมื่อมีการคายประจุ รูปที่ 1 แสดงแรงดันไฟเอาท์พุตของแบตเตอรี่อัลคาไลน์ขนาด AA ที่มีโหลดกระแสคงที่ 100 มิลลิแอมแปร์ (mA) ซึ่งจำเป็นต้องมีปรับแรงดันเพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่สามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรสม่ำเสมออย่างน้อยหนึ่งค่าสำหรับส่วนประกอบของระบบ

รูปที่ 1: แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงเมื่อพลังงานหมด ตัวอย่างนี้แสดงแรงดันไฟเอาท์พุตของแบตเตอรี่อัลคาไลน์ขนาด AA ภายใต้โหลดกระแสคงที่ 100 mA (แหล่งที่มาภาพ: Energizer)

แบตเตอรี่สำหรับระบบทางการแพทย์อยู่ภายใต้มาตรฐาน เช่น ANSI/AAMI ES 60601-1 นักออกแบบสามารถมั่นใจได้ว่าแบตเตอรี่ที่เลือกมาจะเป็นไปตามข้อกำหนดโดยทำงานร่วมกับซัพพลายเออร์ที่น่าเชื่อถือ

ตัวเลือกการแปลง DC/DC สำหรับระบบที่ใช้แบตเตอรี่ทางการแพทย์

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะจับคู่เอาท์พุตของแบตเตอรี่ที่เลือกกับข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าอินพุตของระบบต่างๆ ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ขนาด 3 โวลต์อาจจ่ายไฟ 2 โวลต์ให้กับวงจรหนึ่ง และ 1.1 โวลต์ไปยังอีกวงจรหนึ่ง การควบคุมแรงดันยังสามารถใช้เพื่อรักษาแรงดันไฟฟ้าคงที่ที่เชื่อถือได้ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงระหว่างการคายประจุ

ตัวแปลง DC/DC เชิงพาณิชย์มีสองประเภทหลักสำหรับการควบคุมแรงดันไฟฟ้า: ตัวควบคุมการตกคร่อมต่ำเชิงเส้น (LDO) และตัวควบคุมการสวิตช์ โดย LDO นั้นง่ายกว่าแต่มีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าและสามารถลดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลงได้เท่านั้น อย่างไรก็ตาม LDO จะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกลดลง (ประสิทธิภาพเป็นสัดส่วนกับ V_OUT/V_IN) ซึ่งขนาดกะทัดรัด ราคาที่ต่ำกว่า และการขาดสัญญาณรบกวนของแรงดันกระเพื่อมซึ่งเกิดจากตัวควบคุมสวิตช์เป็นข้อดีอื่นๆ ของ LDO

ตัวควบคุมการสวิตช์โดยทั่วไปให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่า ตัวควบคุมบางชนิดสามารถเพิ่มและลดแรงดันแบตเตอรี่ได้ ข้อเสียของตัวควบคุมการสวิตช์คือความซับซ้อนในการออกแบบ โอกาสที่จะเกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI), ต้นทุน และขนาดของแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) ที่มากขึ้น

(อ่าน "การเลือกตัวควบคุมที่ถูกต้องสำหรับการใช้งานของคุณ " และ "ทำความเข้าใจข้อดีและข้อเสียของตัวควบคุมเชิงเส้น”)

ตัวอย่างหนึ่งของตัวควบคุมบั๊กสวิตช์ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้งานทางการแพทย์คือ MAX38640AENT+ ของ Analog Devices อุปกรณ์นี้ทำงานจากอินพุต 1.8 ถึง 5.5 โวลต์ และให้เอาต์พุตระหว่าง 0.7 ถึง 3.3 โวลต์ ตัวควบคุมรองรับกระแสโหลด 175, 350 หรือ 700 mA โดยมีประสิทธิภาพสูงสุด 96% นอกจากนี้ยังให้ประสิทธิภาพ 88% ที่กระแสโหลดต่ำถึง 10 ไมโครแอมแปร์ (µA) (รูปที่ 2) ชิปมีจำหน่ายในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัด 1.42 x 0.89 มิลลิเมตร (มม.) แพ็คเกจเวเฟอร์ (WLP) 6 พิน และแพ็คเกจ µDFN 6 พิน 2 x 2 มม.

รูปที่ 2: MAX38640 แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่ดีในช่วงกระแสโหลดที่กว้าง ช่วยยืดอายุแบตเตอรี่ในระบบทางการแพทย์ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ตัวอย่างการใช้งานแบตเตอรี่ทางการแพทย์

แผ่นแปะหน้าอกด้วยคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) ที่มีระยะเวลาการทำงานที่ต้องการห้าวันเป็นตัวอย่างการใช้งานที่ดี แผ่นแปะเป็นแบบใช้แล้วทิ้งพร้อมแบตเตอรี่ที่ไม่สามารถเปลี่ยนได้ มีการเชื่อมต่อ Bluetooth Low Energy (LE) เพื่อส่งข้อมูล ECG แบบไร้สาย

แผ่นแปะประกอบด้วย ECG ส่วนหน้าแบบแอนะล็อก (AFE) รุ่น MAX30001 และหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) รุ่น MAX32655 นอกจากนี้ยังมีเซ็นเซอร์อุณหภูมิรุ่น MAX30208 และมาตรความเร่ง ADXL367B

เนื่องจากการใช้งานเป็นแบบแผ่นแปะแบบใช้แล้วทิ้ง แบตเตอรี่จึงต้องมีราคาไม่แพง ปิดผนึกสนิท ขนาดเล็ก และน้ำหนักเบา ข้อกำหนดเหล่านี้ทำให้รูปแบบเซลล์แบบเหรียญเป็นตัวเลือกที่ดี

การสื่อสาร Bluetooth LE ของระบบปลายทางและโหมดการทำงานที่แตกต่างกันของ MAX32655 MCU ต้องการกระแสสูง ทำให้ LMO และ Ag₂O เคมีที่เหมาะสม LMO มีแรงดันเอาต์พุตปกติที่ 3.0 โวลต์และมีพลังงานจำเพาะเป็นสองเท่าของ Ag₂O โดย LMO สามารถหาได้จากฟอร์มแฟคเตอร์เซลล์แบบเหรียญ CR2032 ที่สะดวก โดยมีความจุสูงสุด 235 มิลลิแอมแปร์ชั่วโมง (mAh) ซึ่ง Ag₂O มีแรงดันเอาต์พุตปกติที่ 1.55 โวลต์ และฟอร์มแฟกเตอร์เซลล์แบบเหรียญที่ใหญ่ที่สุดที่มีอยู่คือแบตเตอรี่ SR44W ที่มีความจุ 200 mAh

โหลดสำหรับแผ่นแปะหน้าอก ECG โดยประมาณอยู่ที่ 45 mAh ต่อวัน: 45 x 5 วัน = 225 mAh นี่เป็นเพียงความจุของแบตเตอรี่ LMO ขนาด 235 mAh แต่เกินกว่าความจุของเซลล์ Ag₂O ขนาด 200 mAh แบตเตอรี่ LMO จึงเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานทางการแพทย์นี้

การออกแบบวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า

สำหรับการควบคุมแรงดันไฟฟ้า ผู้ออกแบบสามารถใช้เอาต์พุต 3 โวลต์ที่ระบุจากแบตเตอรี่ LMO เป็นอินพุตสำหรับตัวควบคุมสวิตช์บั๊ก MAX38640 สามตัว

ตัวควบคุมสองตัวสามารถจ่ายอินพุตแอนะล็อกและดิจิทัลของ MAX30001 ได้ ทั้งคู่ต้องการแหล่งจ่ายไฟระหว่าง 1.1 ถึง 2 โวลต์ และต้องการกระแสไฟที่อยู่ภายในความสามารถของตัวควบคุม

ตัวควบคุม MAX38640 อีกตัวจะจ่าย MCU, เซ็นเซอร์อุณหภูมิ และมาตรความเร่ง MCU ต้องการแรงดันไฟฟ้าอินพุตขั้นต่ำ 2 โวลต์ เซ็นเซอร์อุณหภูมิมีข้อกำหนดขั้นต่ำ 1.7 โวลต์ และมาตรความเร่งมีข้อกำหนดขั้นต่ำ 1.1 โวลต์ การใช้กระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์ทั้งสามอยู่ในความสามารถของตัวควบคุม รูปที่ 3 แสดงแผนผังการออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่ยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่เป็นห้าวัน

รูปที่ 3: ในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟสำหรับแผ่นแปะ ECG ที่มี MCU เซ็นเซอร์อุณหภูมิ และมาตรความเร่ง ตัวควบคุมการสวิตช์บั๊กที่มีประสิทธิภาพสามตัวช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่เป็นห้าวัน (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สรุป

ปัจจัยหลายประการมีอิทธิพลต่อการเลือกแบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ เพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้ยาวนานที่สุดและให้แน่ใจว่าไอซีที่มีความไวได้รับแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรและปราศจากสัญญาณรบกวน เอาต์พุตของแบตเตอรี่จะต้องได้รับการควบคุมโดย LDO หรือตัวแปลงการสวิตช์ โดยโมดูลเชิงพาณิชย์จำนวนมากมีจำหน่ายสำหรับแต่ละหมวดหมู่ และการเลือกส่วนใหญ่จะเป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพ ต้นทุน และความซับซ้อนของการออกแบบ