Auswahl und Optimierung von Batterien für medizinische Geräte

Die Auswahl der besten Batterie für ein tragbares medizinisches Gerät ist ebenso wichtig wie die Wahl des geeigneten Prozessors, Funkchips und Flash-Speichers. Eine schlechte Wahl der Energiequelle kann die Performance eines ansonsten gut konzipierten Produkts ernsthaft beeinträchtigen.

Da die Spannung eines jeden Batterietyps in Abhängigkeit von Parametern wie Ladung, Last und Temperatur schwankt, ist eine Regulierung erforderlich, um eine zuverlässige konstante Spannung an der Last zu gewährleisten.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Batteriechemien, die sich für medizinische Geräte eignen. Anschließend werden Spannungsregelungsoptionen von Analog Devices vorgestellt und deren Einsatz anhand einer praktischen Anwendung gezeigt.

Die Eigenschaften von Batterien verstehen

Die folgenden Parameter beeinflussen die Auswahl der Batterien für ein medizinisches Produkt:

• Notwendigkeit einer primären (nicht wiederaufladbaren) oder sekundären (wiederaufladbaren) Batterie
• Größe, Spannung, Innenwiderstand, Kapazität und spezifische Energie der Batterie
• Elektrochemie der Batterie
• Geltende Vorschriften

Primärbatterien haben einen geringeren Selbstentladungsstrom als Sekundärzellen. Dadurch eignen sie sich besser für Systeme, die zwischen den Einsätzen länger nicht genutzt werden. Der Nachteil ist, dass die Zelle nach der Entladung ausgetauscht und entsorgt werden muss.

Sekundärbatterien sind besser geeignet für Anwendungen mit relativ hoher Stromaufnahme. Sie sind in der Regel teurer als Primärzellen und die Komplexität des Systems erhöht sich durch die Notwendigkeit, Ladeschaltungen einzubauen.

Die Abmessungen des Systems helfen bei der Festlegung der Grenzen für die physische Größe der Batterie, während die angestrebte Lebensdauer der Batterie und der Mittelwert der Stromaufnahme des Systems die Bestimmung der erforderlichen Kapazität erlauben. Eine höhere spezifische Energie (Kilojoule pro Kilogramm (kJ/kg)) ermöglicht eine leichtere Batterie für einen bestimmten Energiespeicher.

Der Innenwiderstand einer Batterie bestimmt den Stromfluss. Die Elektrochemie, das Gehäusematerial und die Abmessungen der Batterien beeinflussen diesen Widerstand. Außerdem weisen kompakte Batterien in der Regel einen höheren Innenwiderstand auf als größere Batterien. Lithium-Batterien besitzen im Allgemeinen einen geringeren Innenwiderstand als alkalische Typen, wodurch sie sich aufgrund des daraus resultierenden Stromflusses für Anwendungen mit hoher Stromaufnahme eignen. Während des Betriebs schwankt der Innenwiderstand einer Batterie unter anderem in Abhängigkeit von der Entladungsrate und -tiefe, der Temperatur und dem Alter der Batterie.

Die Nennausgangsspannung einer Batterie wird durch ihre Elektrochemie bestimmt. Eine alkalische Nickel-Zink-Primärbatterie (NiZn) hat zum Beispiel eine Nennspannung von 1,5 Volt und eine spezifische Energie von 720 kJ/kg (oder 200 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg)). Eine Lithium-Manganoxid-Primärbatterie (LMO) besitzt eine Nennspannung von 3,0 Volt und eine spezifische Energie von 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

Zink-Luft und Silberoxid (Ag₂O) sind weitere gängige Chemien. Zink-Luft-Batterien bestehen aus einer Zinkanode, einem Separator aus Elektrolytpaste und einer Kathode aus Umgebungsluft. Dieser Typ ist in der Regel im Formfaktor einer Knopfzelle erhältlich. Aufgrund ihrer nichtmetallischen Kathode ist eine Zink-Luft-Batterie leicht und vergleichsweise preiswert. Sie verfügt über eine relativ flache Entladungskurve und eine Nennausgangsspannung von 1,4 Volt.

Ag₂O-Batterien kombinieren eine Silberkathode und eine Zinkanode. Sie haben eine ähnliche Nennausgangsspannung wie Alkalibatterien (1,55 Volt), verfügen aber über eine höhere Kapazität und eine flachere Entladungskurve. Diese Batterien sind im Allgemeinen sicherer und haben eine längere Lebensdauer als Lithiumbatterien mit einer ähnlichen Entladungskurve.

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die verschiedenen Typen von Primärbatterien.

Tabelle 1: Dargestellt sind die Mindest-, Nenn- und Höchstspannungen und die spezifische Energie für verschiedene Primärbatteriechemien. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Spannung der Batterien nimmt mit der Entladung ab. Abbildung 1 zeigt die Ausgangsspannung einer alkalischen AA-Batterie mit einer Konstantstromlast von 100 Milliampere (mA). Eine Regulierung ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Batterie(n) eine oder mehrere gleichbleibend stabile Spannungen für die Komponenten des Systems liefern kann/können.

Abbildung 1: Die Spannung der Batterien nimmt mit dem Abfluss von Energie ab. Dieses Beispiel zeigt die Ausgangsspannung einer alkalischen AA-Batterie bei einer Konstantstromlast von 100 mA. (Bildquelle: Energizer)

Batterien für medizinische Systeme unterliegen Normen wie der ANSI/AAMI ES 60601-1. Dass in die engere Wahl kommende Batterien die gesetzlichen Anforderungen erfüllen, lässt sich durch die Zusammenarbeit mit einem renommierten Hersteller sicherstellen.

DC/DC-Wandlungsoptionen für batteriebetriebene Systeme in der Medizin

Die Spannungsregelung passt den Ausgang der gewählten Batterie an die verschiedenen Eingangsspannungsbedürfnisse des Systems an. Zum Beispiel könnte eine 3-Volt-Batterie 2 Volt in einem Schaltkreis und 1,1 Volt in einem anderen liefern. Die Regelung erlaubt auch die zuverlässige Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung, wenn die Batteriespannung während der Entladung abnimmt.

Es gibt zwei Hauptkategorien kommerzieller DC/DC-Wandler für die Spannungsregelung: den Linearregler mit niedriger Abfallspannung (Low Drop-Out, LDO) und den Schaltregler. LDOs sind einfacher, haben aber einen geringeren Wirkungsgrad und können die Batteriespannung nur nach unten (abwärts) regeln. Ein LDO wird jedoch umso effizienter, je geringer die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung ist (der Wirkungsgrad ist proportional zu V_OUT/V_IN). Kompakte Größe, niedrigerer Preis und das Fehlen von Spannungswelligkeit wie bei Schaltreglern sind weitere Vorteile von LDOs.

Schaltregler bieten im Allgemeinen einen höheren Wirkungsgrad; einige Typen können die Batteriespannung nach oben (aufwärts) und nach unten (abwärts) regeln. Die Nachteile von Schaltreglern sind die Komplexität des Designs, das Potenzial für elektromagnetische Störungen, die Kosten und ein größerer Footprint auf der Leiterplatte.

(Siehe „Auswahl des richtigen Reglers für Ihre Anwendung“ und „Vor- und Nachteile von Linearreglern“).

Ein Beispiel für einen hocheffizienten Abwärtsschaltregler für medizinische Anwendungen ist der MAX38640AENT+ von Analog Devices. Diese Komponente arbeitet mit einem Eingang von 1,8 bis 5,5 Volt und liefert einen Ausgang zwischen 0,7 und 3,3 Volt. Der Regler unterstützt Lastströme von 175, 350 oder 700 mA mit Spitzenwirkungsgraden von 96 %. Außerdem bietet er einen Wirkungsgrad von 88 % bei Lastströmen von bis zu 10 Mikroampere (µA) (Abbildung 2). Der Chip wird in einem kompakten großen 6-poligen Wafer-Level-Package (WLP) 1,42 x 0,89 Millimeter (mm) und einem 6-poligen µDFN-Gehäuse mit 2 x 2 mm geliefert.

Abbildung 2: Der MAX38640 bietet einen guten Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Lastströmen und trägt so zur Verlängerung der Batterielaufzeit von medizinischen Systemen bei. (Bildquelle: Analog Devices)

Beispiel für batteriebetriebene medizinische Anwendung

Ein Elektrokardiogramm-(EKG)-Brustpflaster mit einer gewünschten Laufzeit von fünf Tagen ist ein gutes Anwendungsbeispiel. Das Pflaster ist ein Einwegprodukt mit einer nicht austauschbaren Batterie. Es verfügt über eine Bluetooth-Low-Energy-(LE)-Verbindung zur Funkübertragung der EKG-Daten.

Das Pflaster basiert auf einen EKG-Analog-Frontend (AFE) MAX30001 und einem Mikrocontroller MAX32655. Außerdem verfügt es über einen Temperatursensor MAX30208 und einen Beschleunigungsmesser ADXL367B.

Da es sich bei der Anwendung um ein Einwegpflaster handelt, muss die Batterie kostengünstig, vollständig abgedichtet, klein und leicht sein. Diese Anforderungen machen eine Knopfzelle zu einer guten Wahl.

Die Bluetooth-LE-Kommunikation des Endsystems und die verschiedenen Betriebsmodi des Mikrocontrollers MAX32655 erfordern hohe Ströme, so dass LMO und Ag₂O geeignete Chemien sind. LMO bietet eine Nennausgangsspannung von 3,0 Volt und eine spezifische Energie, die doppelt so hoch ist wie die von Ag₂O. LMO ist im praktischen Formfaktor einer CR2032 Knopfzelle mit einer Kapazität von bis zu 235 Milliamperestunden (mAh) erhältlich. Ag₂O hat eine Nennausgangsspannung von 1,55 Volt, und der größte verfügbare Knopfzellenformfaktor ist SR44W mit einer Kapazität von 200 mAh.

Als Lastprofil für das EKG-Brustpflaster werden etwa 45 mAh pro Tag angesetzt: 45 x 5 Tage = 225 mAh. Das entspricht gerade der Kapazität der 235-mAh-LMO-Batterie, liegt aber über der der 200-mAh-Ag₂O-Zelle. Die LMO-Batterie ist daher die beste Wahl für diese medizinische Anwendung.

Entwurf des Spannungsregelkreises

Zur Spannungsregelung kann die Nennausgangsspannung der LMO-Batterie von 3 Volt als Eingang für drei Abwärtsschaltregler MAX38640 genutzt werden.

Zwei dieser Regler können die analogen und digitalen Eingänge des MAX30001 versorgen. Beide benötigen eine Versorgungsspannung zwischen 1,1 und 2 Volt und beziehen einen Strom, der weit unter der Kapazität des Reglers liegt.

Ein weiterer Regler MAX38640 versorgt den Mikrocontroller, den Temperatursensor und den Beschleunigungsmesser. Der Mikrocontroller benötigt eine Mindesteingangsspannung von 2 Volt, der Temperatursensor von 1,7 Volt und der Beschleunigungsmesser von 1,1 Volt. Die Stromaufnahme aller drei Komponenten liegt deutlich innerhalb der Kapazität des Reglers. Abbildung 3 zeigt die schematische Darstellung eines Spannungsversorgungsentwurfs, der die Batterielaufzeit auf fünf Tage verlängert.

Abbildung 3: Beim Entwurf der Spannungsversorgung für ein EKG-Pflaster mit einem Mikrocontroller, einem Temperatursensor und einem Beschleunigungsmesser verlängern drei effiziente Abwärtsschaltregler die Batterielaufzeit auf fünf Tage. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit:

Mehrere Faktoren beeinflussen die Wahl einer Batterie für medizinische Geräte. Um die Laufzeit der Batterie zu maximieren und sicherzustellen, dass empfindliche ICs eine stabile und rauschfreie Spannungsversorgung erhalten, muss der Batterieausgang entweder durch LDOs oder Schaltwandler reguliert werden. Für jede Kategorie gibt es viele kommerzielle Module, und die Auswahl ist in erster Linie ein Kompromiss zwischen Wirkungsgrad, Kosten und Designkomplexität.