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如何充分延長(zhǎng)電池壽命？這些電源設(shè)計(jì)要素你要掌握！
發(fā)布時(shí)間：2022-06-12 00:00:00 瀏覽：2191次
遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)儀(RPM)在不斷發(fā)展，包含的功能越來越多，使醫(yī)生能夠更深入地了解患者的健康狀況。這些功能對(duì)為監(jiān)護(hù)儀供電的單體電池提出了更高要求。本文為ECG（心電圖）遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)貼片提供了一個(gè)電源解決方案，旨在延長(zhǎng)電池壽命，充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)作用。本文還介紹了準(zhǔn)確估計(jì)RPM電池壽命的策略，以及在RPM通電之前延長(zhǎng)電池壽命的方法。
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)革命使醫(yī)療機(jī)構(gòu)利用科技為患者提供實(shí)時(shí)護(hù)理的方式發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變。如今，遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)就是這種新型醫(yī)療設(shè)備改變醫(yī)生與患者互動(dòng)方式的其中一個(gè)領(lǐng)域。更小的集成電路和無線通信使幾十年前的舊設(shè)備得以更新，功能得以增強(qiáng)，從而提高患者的依從性和療效。目前的遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)貼片取代了過去笨重的Holter設(shè)備，貼片中包含各種傳感器，能夠收集心率、溫度和加速計(jì)數(shù)據(jù)。這些貼片將患者數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍颊吆歪t(yī)生都可以實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)。
雖然這些設(shè)備有助于醫(yī)生提升護(hù)理能力，但也給電源設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)，他們必須平衡兼顧系統(tǒng)性能與電池壽命要求。隨著第二代貼片采用多模態(tài)傳感來提高精度和有效性，這些挑戰(zhàn)進(jìn)一步加大，進(jìn)而對(duì)電源也提出更高的要求。
在本文中，我們將參考圖1所示的ECG RPM貼片示例。該貼片可連續(xù)監(jiān)測(cè)ECG和加速計(jì)，同時(shí)每15分鐘檢查一次溫度。數(shù)據(jù)通過低能耗藍(lán)牙®(BLE)每2小時(shí)傳輸一次，每天總共進(jìn)行12次BLE傳輸。該貼片有三種不同的模式，每種模式都有不同的負(fù)載模式：標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和傳輸模式。在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式下，僅監(jiān)控ECG和加速計(jì)。在溫度監(jiān)測(cè)模式下，還要監(jiān)測(cè)另一個(gè)溫度傳感器。在傳輸模式下，BLE無線電在同時(shí)監(jiān)測(cè)ECG和加速計(jì)數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。
圖1. ECG貼片電源原理圖。用一個(gè)235 mAh的CR2032紐扣鋰電池為穩(wěn)壓器、微控制器、ECG前端、溫度傳感器和加速度計(jì)供電。
電源挑戰(zhàn)
設(shè)計(jì)RPM，比如ECG貼片，對(duì)電源設(shè)計(jì)人員來說是一個(gè)多方面的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)通常受到空間方面的限制，帶有多個(gè)傳感器的貼片可能需要多個(gè)電源導(dǎo)軌。由于RPM貼片通常是一次性使用產(chǎn)品，因此設(shè)計(jì)人員一般會(huì)選擇紐扣電池這種經(jīng)濟(jì)高效的電源。如果僅使用紐扣電池為貼片供電，設(shè)計(jì)人員還必須考慮電源子系統(tǒng)的效率。
電源設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)忽視的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期。關(guān)斷電流和電池自放電會(huì)縮短任何系統(tǒng)的壽命。因此，設(shè)計(jì)人員必須明確RPM貼片在典型的保質(zhì)期之后能否滿足運(yùn)行時(shí)間要求，如果不能，在貼片到達(dá)最終用戶手中之前，可以采取哪些措施來保持電池壽命。
確定電池運(yùn)行時(shí)間
為了準(zhǔn)確確定電源解決方案是否符合電池壽命要求，必須確定負(fù)載曲線。負(fù)載曲線是系統(tǒng)負(fù)載占空比的簡(jiǎn)單表示。對(duì)于我們使用的遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)貼片，我們將考慮之前介紹的三種不同的工作模式：標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和傳輸模式。
為了準(zhǔn)確確定電源解決方案是否符合電池壽命要求，必須確定負(fù)載曲線。負(fù)載曲線是系統(tǒng)負(fù)載占空比的簡(jiǎn)單表示。對(duì)于我們使用的遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)貼片，我們將考慮之前介紹的三種不同的工作模式：標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和傳輸模式。
要進(jìn)行負(fù)載曲線分析，需使用一天中每種工作模式的時(shí)間段來確定占空比計(jì)算值。使用公式1：
可為我們得出貼片的占空比，如表1所示。
表1. 貼片在不同工作模式下的占空比
利用圖2中的負(fù)載曲線，我們可以計(jì)算出貼片的電流消耗。取每種工作模式下的有效電流消耗，通過公式2可以計(jì)算出每天的平均電流消耗近似值。
圖2. 負(fù)載曲線圖。
下面是一個(gè)計(jì)算示例：
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式電流×標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式占空比×24小時(shí)
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式電流 = 1.88 mA標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式占空比 = 0.9956
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小時(shí) = 44.92 mAh/天
一旦確定每種工作模式的每日電流消耗，就可以通過公式3確定電池的使用壽命。
下面是一個(gè)計(jì)算示例：
電池容量 = 235 mAh
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 44.92 mAh/天
溫度監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 0.01 mAh/天
傳輸模式每天的電流 = 0.79 mAh/天
電池壽命（天）= 235 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.14天
這些計(jì)算結(jié)果表明，該器件將滿足5天的工作時(shí)間要求，電池壽命超過5.1天。然而，這個(gè)結(jié)果具有欺騙性，因?yàn)闆]有考慮系統(tǒng)的保質(zhì)期。在醫(yī)療器械行業(yè)，最好是設(shè)計(jì)14個(gè)月的保質(zhì)期（貨架期12個(gè)月，運(yùn)輸期兩個(gè)月）。
保質(zhì)期的考慮因素
將系統(tǒng)中設(shè)備的關(guān)斷電流相加，同時(shí)使用CR2032電池每年1%到2%的典型自放電率，可以看出，14個(gè)月后，電池的容量不足以支持5天的工作時(shí)間，需要進(jìn)行電池密封。
表2. 14個(gè)月后的電池容量
在貨架上放置14個(gè)月后，電池容量將顯著減少。當(dāng)CR2032閑置在貨架上時(shí)，近40%的能量將通過關(guān)斷電流和電池自泄漏消耗掉。將這個(gè)電池容量代入公式3，可以得出更準(zhǔn)確的運(yùn)行時(shí)間：
電池壽命（天）= 146.66 mAh/（標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式+溫度監(jiān)測(cè)模式+傳輸模式）
電池壽命（天）= 146.66 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 3.21天
上架時(shí)間超過一年，電池容量會(huì)受到電池自放電和系統(tǒng)關(guān)斷電流的影響。電池自放電與電池的化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境有關(guān)。CR2032電池的化學(xué)成分是鋰錳，每年的自放電率為1%至2%。一年后，紐扣電池在休眠狀態(tài)下可能會(huì)損失2%的容量。對(duì)比之下，BR2032電池的化學(xué)成
分是鋰-氟化碳聚合物，每年的自放電率為0.3%。我們通常會(huì)認(rèn)為，最適合應(yīng)用的電池化學(xué)成分是放電率最低的，但事實(shí)并非如此。雖然BR2032電池的放電率較低，但其容量也比200 mAh的CR2032電池低。使用前面的公式重新計(jì)算，可以確定這樣的低容量電池的電量是否足夠。
在這個(gè)ECG貼片中，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，IC關(guān)斷電流是減少電池壽命的最大因素。當(dāng)IC被禁用且無有效負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷電流。這些電流通常是由于IC中漏電和IC內(nèi)的ESD保護(hù)裝置造成的，即使在沒有負(fù)載的情況下也會(huì)消耗少量的電流。這些電流通常很?。ǖ陀?μA），但對(duì)電池壽命卻有很大的影響。在這個(gè)RPM貼片中，關(guān)斷電流在一年內(nèi)可使電池容量減少多達(dá)40%。使用電池密封可限制系統(tǒng)在關(guān)斷時(shí)從電池中吸取過多的電流。
電池密封通常采用兩種方式：聚酯薄膜拉片形式的機(jī)械電池密封，以及負(fù)載開關(guān)形式的電氣電池密封。聚酯薄膜/塑料拉片是一種機(jī)械電池密封，其中塑料拉片位于電池和系統(tǒng)之間。當(dāng)準(zhǔn)備使用設(shè)備時(shí)，用戶只需拔出塑料片，電池就開始為系統(tǒng)供電。這是一種簡(jiǎn)單、低成本、成熟的電池機(jī)械密封，已經(jīng)使用了很多年。然而，對(duì)于醫(yī)療設(shè)備來說，這種解決方案并不是始終可行的。對(duì)于需要防水的ECG貼片來說，聚酯薄膜突出的槽會(huì)使貼片容易被水損壞。此外，對(duì)于不夠靈巧的終端用戶來說，這種小的塑料薄片可能不太好用。
簡(jiǎn)單的負(fù)載開關(guān)，如Vishay SiP32341，是電氣電池密封的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。該器件是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，開啟時(shí)，可將電池與系統(tǒng)的其它部分隔開，使SiP32341的關(guān)斷電流成為電池上唯一的消耗電流。負(fù)載開關(guān)有一條邏輯控制線，當(dāng)準(zhǔn)備使用設(shè)備時(shí)，可以通過按鈕接通。SiP32341的關(guān)斷電流一般為14 pA，與沒有電池密封時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗相比，采用電池密封有顯著改善。如果使用SiP32341作為電池密封件，CR2032原電池在14個(gè)月內(nèi)可保持99.97%的容量。如果不用電池密封件來保護(hù)電池免受ECG貼片關(guān)斷電流的影響，那么CR2032原電池只能保持62.39%的原始電量。消除這37%的容量差異，就可以使ECG貼片在14個(gè)月的保質(zhì)期以后仍能滿足5天的壽命要求。
表3. 使用電池密封件14個(gè)月后的電池容量
電池密封件通過防止系統(tǒng)中的所有設(shè)備消耗電池關(guān)斷電流，從而保持電池容量。在RPM貼片閑置14個(gè)月后，剩余電池容量還保持在99.9%以上。
將這個(gè)電池容量代入公式3，可以得出更準(zhǔn)確的運(yùn)行時(shí)間：
電池壽命（天）= 230.25 mAh/（標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式+溫度監(jiān)測(cè)模式+傳輸模式）
電池壽命（天）= 230.25 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.04天
結(jié)論
在系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)和關(guān)機(jī)/低功耗模式時(shí)進(jìn)行電池分析，對(duì)于設(shè)計(jì)能滿足醫(yī)療設(shè)備所有要求的電源至關(guān)重要。雖然本文專門討論了通過BLE通信收集心率、溫度和加速度數(shù)據(jù)的ECG貼片，但文中的分析和原理也可應(yīng)用于由原電池供電的任何數(shù)量的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。
表1. 貼片在不同工作模式下的占空比
利用圖2中的負(fù)載曲線，我們可以計(jì)算出貼片的電流消耗。取每種工作模式下的有效電流消耗，通過公式2可以計(jì)算出每天的平均電流消耗近似值。
圖2. 負(fù)載曲線圖。
下面是一個(gè)計(jì)算示例：
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式電流×標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式占空比×24小時(shí)
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式電流 = 1.88 mA標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式占空比 = 0.9956
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小時(shí) = 44.92 mAh/天
一旦確定每種工作模式的每日電流消耗，就可以通過公式3確定電池的使用壽命。
下面是一個(gè)計(jì)算示例：
電池容量 = 235 mAh
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 44.92 mAh/天
溫度監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 0.01 mAh/天
傳輸模式每天的電流 = 0.79 mAh/天
電池壽命（天）= 235 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.14天
這些計(jì)算結(jié)果表明，該器件將滿足5天的工作時(shí)間要求，電池壽命超過5.1天。然而，這個(gè)結(jié)果具有欺騙性，因?yàn)闆]有考慮系統(tǒng)的保質(zhì)期。在醫(yī)療器械行業(yè)，最好是設(shè)計(jì)14個(gè)月的保質(zhì)期（貨架期12個(gè)月，運(yùn)輸期兩個(gè)月）。
保質(zhì)期的考慮因素
將系統(tǒng)中設(shè)備的關(guān)斷電流相加，同時(shí)使用CR2032電池每年1%到2%的典型自放電率，可以看出，14個(gè)月后，電池的容量不足以支持5天的工作時(shí)間，需要進(jìn)行電池密封。
表2. 14個(gè)月后的電池容量
在貨架上放置14個(gè)月后，電池容量將顯著減少。當(dāng)CR2032閑置在貨架上時(shí)，近40%的能量將通過關(guān)斷電流和電池自泄漏消耗掉。將這個(gè)電池容量代入公式3，可以得出更準(zhǔn)確的運(yùn)行時(shí)間：
電池壽命（天）= 146.66 mAh/（標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式+溫度監(jiān)測(cè)模式+傳輸模式）
電池壽命（天）= 146.66 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 3.21天
上架時(shí)間超過一年，電池容量會(huì)受到電池自放電和系統(tǒng)關(guān)斷電流的影響。電池自放電與電池的化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境有關(guān)。CR2032電池的化學(xué)成分是鋰錳，每年的自放電率為1%至2%。一年后，紐扣電池在休眠狀態(tài)下可能會(huì)損失2%的容量。對(duì)比之下，BR2032電池的化學(xué)成
分是鋰-氟化碳聚合物，每年的自放電率為0.3%。我們通常會(huì)認(rèn)為，最適合應(yīng)用的電池化學(xué)成分是放電率最低的，但事實(shí)并非如此。雖然BR2032電池的放電率較低，但其容量也比200 mAh的CR2032電池低。使用前面的公式重新計(jì)算，可以確定這樣的低容量電池的電量是否足夠。
在這個(gè)ECG貼片中，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，IC關(guān)斷電流是減少電池壽命的最大因素。當(dāng)IC被禁用且無有效負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷電流。這些電流通常是由于IC中漏電和IC內(nèi)的ESD保護(hù)裝置造成的，即使在沒有負(fù)載的情況下也會(huì)消耗少量的電流。這些電流通常很?。ǖ陀?μA），但對(duì)電池壽命卻有很大的影響。在這個(gè)RPM貼片中，關(guān)斷電流在一年內(nèi)可使電池容量減少多達(dá)40%。使用電池密封可限制系統(tǒng)在關(guān)斷時(shí)從電池中吸取過多的電流。
電池密封通常采用兩種方式：聚酯薄膜拉片形式的機(jī)械電池密封，以及負(fù)載開關(guān)形式的電氣電池密封。聚酯薄膜/塑料拉片是一種機(jī)械電池密封，其中塑料拉片位于電池和系統(tǒng)之間。當(dāng)準(zhǔn)備使用設(shè)備時(shí)，用戶只需拔出塑料片，電池就開始為系統(tǒng)供電。這是一種簡(jiǎn)單、低成本、成熟的電池機(jī)械密封，已經(jīng)使用了很多年。然而，對(duì)于醫(yī)療設(shè)備來說，這種解決方案并不是始終可行的。對(duì)于需要防水的ECG貼片來說，聚酯薄膜突出的槽會(huì)使貼片容易被水損壞。此外，對(duì)于不夠靈巧的終端用戶來說，這種小的塑料薄片可能不太好用。
簡(jiǎn)單的負(fù)載開關(guān)，如Vishay SiP32341，是電氣電池密封的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。該器件是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，開啟時(shí)，可將電池與系統(tǒng)的其它部分隔開，使SiP32341的關(guān)斷電流成為電池上唯一的消耗電流。負(fù)載開關(guān)有一條邏輯控制線，當(dāng)準(zhǔn)備使用設(shè)備時(shí)，可以通過按鈕接通。SiP32341的關(guān)斷電流一般為14 pA，與沒有電池密封時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗相比，采用電池密封有顯著改善。如果使用SiP32341作為電池密封件，CR2032原電池在14個(gè)月內(nèi)可保持99.97%的容量。如果不用電池密封件來保護(hù)電池免受ECG貼片關(guān)斷電流的影響，那么CR2032原電池只能保持62.39%的原始電量。消除這37%的容量差異，就可以使ECG貼片在14個(gè)月的保質(zhì)期以后仍能滿足5天的壽命要求。
表3. 使用電池密封件14個(gè)月后的電池容量
電池密封件通過防止系統(tǒng)中的所有設(shè)備消耗電池關(guān)斷電流，從而保持電池容量。在RPM貼片閑置14個(gè)月后，剩余電池容量還保持在99.9%以上。
將這個(gè)電池容量代入公式3，可以得出更準(zhǔn)確的運(yùn)行時(shí)間：
電池壽命（天）= 230.25 mAh/（標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式+溫度監(jiān)測(cè)模式+傳輸模式）
電池壽命（天）= 230.25 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.04天
結(jié)論
在系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)和關(guān)機(jī)/低功耗模式時(shí)進(jìn)行電池分析，對(duì)于設(shè)計(jì)能滿足醫(yī)療設(shè)備所有要求的電源至關(guān)重要。雖然本文專門討論了通過BLE通信收集心率、溫度和加速度數(shù)據(jù)的ECG貼片，但文中的分析和原理也可應(yīng)用于由原電池供電的任何數(shù)量的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。
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