作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-06-20

對于便攜式醫療器械，選用最好的電池和選用合適的處理器、無線芯片和閃存一樣重要。原本設計良好的產品可能會因能源選擇不當而嚴重影響性能。

由于任何類型電池的電壓都會隨充電、負載和溫度等參數的變化而變化，因此需要進行調節，確保為負載提供可靠的恒定電壓。

本文簡述了適用于醫療器械的電池化學成分。然后，介紹了來自 [Analog Devices]的電壓調節方案，并通過實際應用說明了如何使用這些方案。

了解電池特性

以下參數會影響醫療產品的電池選擇：

• 需要使用一次還是二次（可充電）電池
• 電池尺寸、電壓、內阻、容量和比能量
• 電池電化學
• 適用法規

一次電池的自放電電流低于二次電池。因此，它們更適合于使用間隔時間較長的系統。缺點是電池放電后需要更換和處置。

二次電池更適用于電流消耗相對較大的應用。它們通常比一次電池昂貴，而且由于需要集成充電電路，系統也更為復雜。

系統尺寸有助于確定對電池物理尺寸的限制，而電池目標壽命和系統平均電流消耗則有助于確定所需的容量。給定儲能下，比能量 (kJ/kg) 越高，電池越輕。

電池的內阻會耗散電能。電化學、外殼結構材料和電池尺寸都會影響內阻。此外，小電池的內阻往往比大電池大。與堿性電池相比，鋰電池的內阻通常更低，因此適合用于電流消耗大的應用，因為它們所產生功率耗散較小。工作過程中，電池的內阻會因放電速度和深度、溫度以及電池的使用年限等因素變化。

電池的標稱輸出電壓由其電化學決定。例如，鎳鋅 (NiZn) 堿性一次電池的標稱電壓為 1.5 V，比能量為 720 kJ/kg（或 200 Wh/kg）。鋰二氧化錳 (LMO) 一次電池的標稱電壓為 3.0 V，比能量為 1008 kJ/kg (280 Wh/kg)。

其他常見的電化學成分有鋅-空氣和氧化銀 (Ag2O)。鋅-空氣電池由鋅陽極、電解質涂膏隔膜和環境空氣陰極組成。這類電池通常以紐扣電池形式提供。由于鋅-空氣電池采用非金屬陰極，因此重量輕，價格相對便宜。其放電曲線相對平坦，標稱輸出電壓為 1.4 V。

氧化銀 (Ag2O) 電池由銀陰極和鋅陽極組成。這類電池的標稱輸出電壓為 1.55 V，類似于堿性電池，但往往容量更大，放電曲線更加平坦。與放電曲線相似的鋰電池相比，這類電池通常更安全，使用壽命更長。

表 1 匯總了各種類型的一次電池。

| | 一次電池 | 最小電壓 (V) | 標稱電壓 (V) | 最大電壓 (V) | 比能量 |
| ---------- | -------------- | -------------- | -------------- | ----------- |
| 堿性 | 1.1 | 1.5 | 1.65 | 200 Wh/kg |
| 鋅空氣 | 0.9 | 1.4 | 1.68 | 400 Wh/kg |
| 鋰錳 | 2 | 3 | 3.4 | 280 Wh/kg |
| 鋰硫 | 0.9 | 1.5 | 1.8 | 300 Wh/kg |
| 氧化銀 | 1.2 | 1.55 | 1.85 | 130 Wh/kg |

表 1：各種一次電池電化學成分的最小、標稱、最大電壓以及比能量。（圖片來源：Analog Devices）

電池電壓會隨著放電而降低。圖 1 顯示了 AA 堿性電池在 100 mA 恒定電流負載下的輸出電壓。為了確保一節或多節電池能為系統組件提供一個或多個持續穩定的電壓，需要進行調節。

圖 1：電池電壓隨能量消耗而降低。此示例顯示了 AA 堿性電池在 100 mA 恒定電流負載下的輸出電壓。（圖片來源：[Energizer]）

醫療系統使用的電池必須符合 ANSI/AAMI ES 60601-1 等標準。設計人員可以通過與知名供應商合作，確保其選出的電池符合法規要求。

適用于電池供電型醫療系統的 DC/DC 轉換方案

電壓調節可使所選電池的輸出符合各種系統的輸入電壓要求。例如，3 V 電池可能會為一條電路提供 2 V 電壓，為另一條電路提供 1.1 V 電壓。當電池電壓在放電過程中降低時，調節功能還可用來保持可靠的恒定電壓。

用于電壓調節的商用 DC/DC 轉換器分為兩大類：低壓差 (LDO) 線性穩壓器和開關穩壓器。LDO 比較簡單，但通常效率不高，而且只能降低電池電壓（降壓）。不過，LDO 的效率會隨著輸入和輸出電壓差的減小而提高（效率與 V OUT /VIN 成正比）。LDO 的其他優點包括體積小、價格低以及沒有開關穩壓器固有的電壓紋波噪聲。

開關穩壓器的效率通常較高；部分類型可以升高（升壓）和降低（降壓）電池電壓。開關穩壓器的缺點是設計復雜、可能產生電磁干擾 (EMI)、成本高、印刷電路板（PC 板）尺寸大。

用于醫療應用的高效開關降壓穩壓器的一個例子是 Analog Devices 的 [MAX38640AENT+]。該器件的輸入電壓為 1.8 至 5.5 V，輸出電壓為 0.7 至 3.3 V。這款穩壓器支持 175、350 或 700 mA 的負載電流，峰值效率高達 96%。此外，在負載電流低至 10 μA 時，其效率還能達到 88%（圖 2）。芯片采用緊湊型 1.42 x 0.89 mm 6 引腳晶圓級封裝 (WLP) 和 2 x 2 mm 6 引腳 μDFN 封裝。

圖 2：MAX38640 穩壓器在寬泛的負載-電流范圍內顯示出優良效率，有助于延長醫療系統中電池的壽命。（圖片來源：Analog Devices）

電池的醫療應用實例

要求工作時間為五天的心電圖 (ECG) 胸部貼片是一個典型應用范例。這種貼片是一次性產品，配有不可更換的電池。其具有低功耗藍牙 (LE) 連接功能，可無線傳輸心電圖數據。

該貼片基于 [MAX30001]心電圖模擬前端 (AFE) 和 [MAX32655]微控制器單元 (MCU)。它還配備了 [MAX30208] 溫度傳感器和 [ADXL367B]加速計。

由于是一次性貼片應用，電池必須價格低廉、完全密封、體積小且重量輕。這些要求使得紐扣電池成為一種不錯的選擇。

終端系統的低功耗藍牙通信和 MAX32655 MCU 的不同工作模式需要大電流，因此 LMO 和 Ag2O 是合適的電化學成分。LMO 的標稱輸出電壓為 3.0 V，比能量是 Ag2O 的兩倍。LMO 可以采用便利的 CR2032 紐扣電池形式，容量高達 235 mAh。Ag2O 的標稱輸出電壓為 1.55 V，現有最大的氧化銀紐扣電池是容量為 200 mAh 的 SR44W 電池。

心電圖胸部貼片的負載曲線是在每天約 45 mAh 的條件下估算的：45 x 5 天 = 225 mAh。這一數值剛好在 LMO 電池 235 mAh 的容量范圍內，但超出了 Ag2O 電池 200 mAh 的容量。因此，LMO 電池是這種醫療應用的最佳選擇。

設計電壓調節電路

在電壓調節方面，設計人員可將 LMO 電池的 3 V 標稱電壓輸出作為三個 MAX38640 降壓開關穩壓器的輸入。

其中兩個穩壓器可為 MAX30001 提供模擬和數字輸入。兩者均需要 1.1 至 2 V 的電壓，所需的電流也在穩壓器的容量范圍內。

另一個 MAX38640 穩壓器為 MCU、溫度傳感器和加速計供電。MCU 需要的最小輸入電壓為 2 V，溫度傳感器的最小輸入電壓為 1.7 V，加速計的最小輸入電壓為 1.1 V。所有三個器件的電流消耗都在穩壓器的容量范圍內。圖 3 顯示了將電池壽命延長至五天的電源設計示意圖。

圖 3：在包括 MCU、溫度傳感器和加速計的心電圖貼片電源設計中，三個高效降壓開關穩壓器將電池壽命延長至五天。（圖片來源：Analog Devices）

結語

影響醫療器械電池選擇的因素有很多。為了最大限度地延長電池壽命，確保敏感的集成電路獲得穩定、無噪聲的電壓供應，必須使用 LDO 或開關轉換器對電池輸出進行調節。每個類別都有許多商用模塊可供選擇，選擇時主要是在效率、成本和設計復雜性之間進行權衡。

審核編輯 黃宇