選擇並最佳化醫療裝置電池

為可攜式醫療裝置選擇最適用的電池，其重要性等同於選擇合適的處理器、無線晶片和快閃記憶體。若能源選擇不當，即便是設計完善的產品，其效能也可能受到嚴重影響。

無論是何種類型的電池，其電壓皆會隨著電荷、負載和溫度等參數而變化，因此需要進行穩壓調節以確保為負載提供可靠的恆定電壓。

本文將簡要介紹適合醫療裝置的電池化學成分，然後介紹 Analog Devices 的穩壓產品，並以實際應用說明如何應用這些產品。

瞭解電池特性

以下參數將影響醫療產品的電池選擇：

• 一次電池或二次 (可充電式) 電池的要求
• 電池尺寸、電壓、內部電阻、蓄電量和比能
• 電池電化學
• 適用的調節方式

一次電池的自放電電流低於二次電池。因此，一次電池更適合用於使用間隔時間較長的系統，但其缺點是電池放電後需要予以更換和處置。

二次電池則更適合電流消耗量相對較高的應用。這類電池通常比一次電池更昂貴，而且由於需要內建充電電路，系統複雜性也就更高。

系統尺寸有助於確定電池實體尺寸上的限制，而目標電池續航力和系統平均電流消耗量，則有助於確定所需的蓄電量。若具備更高的比能 (kJ/kg)，則針對特定電能儲存條件，可使用更輕量的電池。

電池的內部電阻會耗散功率。電化學、外殼結構材料和電池尺寸都會影響此電阻。此外，小型電池的內部電阻往往比較大的電池還高。鋰電池的內部電阻通常比鹼性電池低，因此，由於所造成的功率耗散，此種電池適合用於高電流消耗量的應用中。在操作過程中，電池的內部電阻會因放電速率和深度、溫度和電池的新舊等因素而變化。

電池的標稱輸出電壓取決於其電化學。例如，一個一次性鎳鋅 (NiZn) 鹼性電池的標稱電壓為 1.5 V，比能為 720 kJ/kg (或 200 Wh/kg)。一次性鋰氧化錳 (LMO) 電池的標稱電壓為 3.0 V，比能為 1008 kJ/kg (280 Wh/kg)。

鋅空氣和氧化銀 (Ag₂O) 是其他常見的電化學。鋅空氣電池由鋅陽極、電解漿分離器和環境空氣陰極組成。此類電池通常是以鈕釦型電池的尺寸供應。由於鋅空氣電池的陰極並非金屬，因此重量較輕且價格相對便宜。其放電曲線相對平坦，且標稱輸出電壓為 1.4 V。

Ag₂O 電池包含銀陰極和鋅陽極。這類電池的標稱輸出電壓近似於鹼性電池的 1.55 V，但通常會提供更高的蓄電量，且放電曲線更平坦。若與放電曲線相似的鋰電池相比，這類電池通常更安全且使用壽命更長。

表 1 概述了各種類型的一次電池。

表 1：各種一次電池電化學的最小電壓、標稱電壓和最大電壓和比能。(圖片來源：Analog Devices)

電池電壓會隨著放電而降低。圖 1 顯示恆定電流負載為 100 mA 的 AA 鹼性電池輸出電壓。若要確保一或多個電池可以為系統元件提供一種或多種穩定電壓，則需要進行調節。

圖 1：電池電壓隨著電能耗盡而降低。此範例顯示 AA 鹼性電池在 100 mA 恆定電流負載下的輸出電壓。(圖片來源：Energizer)

醫療系統的電池必須符合 ANSI/AAMI ES 60601-1 等標準。設計人員可以和信譽良好的供應商合作，確保其選中的電池符合法規要求。

用於醫用電池供電系統的 DC/DC 轉換選項

穩壓會將所選電池的輸出與各種系統輸入電壓要求相匹配。例如，3 V 電池可能需要向一個電路提供 2 V 電壓，而向另一個電路提供 1.1 V 電壓。另外，還可在放電期間進行調節，以便在電池電壓降低時，保持可靠的恆定電壓。

用於穩壓的商用 DC/DC 轉換器主要有兩類：線性低壓降 (LDO) 穩壓器和切換式穩壓器。LDO 更簡單，但效率往往較低，並且只能降低電池電壓 (降壓)。但是，隨著輸入和輸出電壓差降低，LDO 會變得更有效率 (效率與 V_OUT/V_IN 成正比)。LDO 還有一些其他優點，例如外形小巧、價格便宜，以及切換式穩壓器沒有原有的漣波電壓雜訊。

切換式穩壓器一般效率更高；有些類型則可增加 (增壓) 及降低 (降壓) 電池電壓。切換式穩壓器的缺點是設計複雜度、可能發生電磁干擾 (EMI)、成本和印刷電路板 (PC 板) 覆蓋區更大。

(請參閱《為您的應用選擇正確的穩壓器》和《瞭解線性穩壓器的優點與缺點》。)

Analog Devices 的 MAX38640AENT+ 是另一例適用於醫療應用的高效切換式降壓穩壓器。此元件的工作輸入電壓為 1.8 至 5.5 V，工作輸出電壓為 0.7 至 3.3 V。該穩壓器可支援 175、350 或 700 mA 的負載電流，峰值效率為 96%。在低至 10 µA 的負載電流下，還可提供 88% 的效率 (圖 2)。此款晶片裝於一個 1.42 x 0.89 mm、6 引腳小型晶圓級封裝 (WLP) 和 2 x 2 mm、6 引腳 µDFN 封裝內。

圖 2：MAX38640 在寬廣負載電流範圍內表現出良好的效率，有助於延長醫療系統的電池續航力。(圖片來源：Analog Devices)

電池醫療應用範例

預期使用五天的心電圖 (ECG) 胸貼片是良好的應用範例之一。該貼片屬於拋棄式用品，內含不可更換的電池。其具有低功耗藍牙 (LE) 連線功能，可無線傳輸 ECG 資料。

此貼片採用 MAX30001 的 ECG 類比前端 (AFE) 和 MAX32655 的微控制器單元 (MCU)。另外，其還具備 MAX30208 溫度感測器和 ADXL367B 加速計。

由於此應用屬於拋棄式貼片，因此所用電池必須價格低廉、完全密封、小巧、輕量。鈕釦型電池尺寸可滿足這些要求，因此是個不錯的選擇。

終端系統的 Bluetooth LE 通訊和 MAX32655 MCU 的不同工作模式需要高電流，因此適合使用 LMO 和 Ag₂O 化學成分。LMO 的標稱輸出電壓為 3.0 V，而比能是 Ag₂O 的兩倍。LMO 的源極可採用方便易用的 CR2032 鈕釦型電池尺寸，蓄電量高達 235 mAh。Ag₂O 的標稱輸出電壓為 1.55 V，可用的最大鈕釦型電池尺寸為 SR44W 電池，蓄電量為 200 mAh。

預計 ECG 胸貼片的負載概況為每天約 45 mAh：45 x 5 天 = 225 mAh。這剛好在 235 mAh LMO 電池蓄電量範圍內，但超過 200 mAh Ag₂O 電池的蓄電量。因此，LMO 電池是此種醫療應用的最佳選擇。

設計穩壓電路

針對穩壓部分，設計人員可以使用 LMO 電池的標稱 3 V 輸出作為三個 MAX38640 降壓切換式穩壓器的輸入。

其中兩個穩壓器可提供 MAX30001 的類比和數位輸入。兩者都需要 1.1 至 2 V 的電源，並要求電流在穩壓器的蓄電量範圍內。

另一個 MAX38640 穩壓器則可為 MCU、溫度感測器和加速計供電。MCU 要求的最小電壓輸入為 2 V，溫度感測器的最低要求為 1.7 V，而加速計的最低要求為 1.1 V。所有三種裝置的電流消耗量都在穩壓器的蓄電量範圍內。圖 3 顯示將電池續航力延長至五天的電源供應器設計線路圖。

圖 3：在包含 MCU、溫度感測器和加速計的 ECG 貼片電源供應器設計中，三個高效降壓切換式穩壓器會將電池續航力延長至五天。(圖片來源：Analog Devices)

結論

在選擇醫療裝置電池時，要考慮幾種影響因素。為了能最大程度延長電池續航力，並確保敏感的 IC 可接收穩定且無雜訊的電壓供應，電池輸出必須由 LDO 或切換式轉換器進行調節。每個類別都有許多商用模組，而在選擇時，主要是要在效率、成本和設計複雜性之間進行取捨。