选择和优化医疗器械中的电池

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-06-20

对于便携式医疗器械，选用最好的电池和选用合适的处理器、无线芯片和闪存一样重要。原本设计良好的产品可能会因能源选择不当而严重影响性能。

由于任何类型电池的电压都会随充电、负载和温度等参数的变化而变化，因此需要进行调节，确保为负载提供可靠的恒定电压。

本文简述了适用于医疗器械的电池化学成分。然后，介绍了来自 [Analog Devices]的电压调节方案，并通过实际应用说明了如何使用这些方案。

了解电池特性

以下参数会影响医疗产品的电池选择：

• 需要使用一次还是二次（可充电）电池
• 电池尺寸、电压、内阻、容量和比能量
• 电池电化学
• 适用法规

一次电池的自放电电流低于二次电池。因此，它们更适合于使用间隔时间较长的系统。缺点是电池放电后需要更换和处置。

二次电池更适用于电流消耗相对较大的应用。它们通常比一次电池昂贵，而且由于需要集成充电电路，系统也更为复杂。

系统尺寸有助于确定对电池物理尺寸的限制，而电池目标寿命和系统平均电流消耗则有助于确定所需的容量。给定储能下，比能量 (kJ/kg) 越高，电池越轻。

电池的内阻会耗散电能。电化学、外壳结构材料和电池尺寸都会影响内阻。此外，小电池的内阻往往比大电池大。与碱性电池相比，锂电池的内阻通常更低，因此适合用于电流消耗大的应用，因为它们所产生功率耗散较小。工作过程中，电池的内阻会因放电速度和深度、温度以及电池的使用年限等因素变化。

电池的标称输出电压由其电化学决定。例如，镍锌 (NiZn) 碱性一次电池的标称电压为 1.5 V，比能量为 720 kJ/kg（或 200 Wh/kg）。锂二氧化锰 (LMO) 一次电池的标称电压为 3.0 V，比能量为 1008 kJ/kg (280 Wh/kg)。

其他常见的电化学成分有锌-空气和氧化银 (Ag2O)。锌-空气电池由锌阳极、电解质涂膏隔膜和环境空气阴极组成。这类电池通常以纽扣电池形式提供。由于锌-空气电池采用非金属阴极，因此重量轻，价格相对便宜。其放电曲线相对平坦，标称输出电压为 1.4 V。

氧化银 (Ag2O) 电池由银阴极和锌阳极组成。这类电池的标称输出电压为 1.55 V，类似于碱性电池，但往往容量更大，放电曲线更加平坦。与放电曲线相似的锂电池相比，这类电池通常更安全，使用寿命更长。

表 1 汇总了各种类型的一次电池。

| | 一次电池 | 最小电压 (V) | 标称电压 (V) | 最大电压 (V) | 比能量 |
| ---------- | -------------- | -------------- | -------------- | ----------- |
| 碱性 | 1.1 | 1.5 | 1.65 | 200 Wh/kg |
| 锌空气 | 0.9 | 1.4 | 1.68 | 400 Wh/kg |
| 锂锰 | 2 | 3 | 3.4 | 280 Wh/kg |
| 锂硫 | 0.9 | 1.5 | 1.8 | 300 Wh/kg |
| 氧化银 | 1.2 | 1.55 | 1.85 | 130 Wh/kg |

表 1：各种一次电池电化学成分的最小、标称、最大电压以及比能量。（图片来源：Analog Devices）

电池电压会随着放电而降低。图 1 显示了 AA 碱性电池在 100 mA 恒定电流负载下的输出电压。为了确保一节或多节电池能为系统组件提供一个或多个持续稳定的电压，需要进行调节。

图 1：电池电压随能量消耗而降低。此示例显示了 AA 碱性电池在 100 mA 恒定电流负载下的输出电压。（图片来源：[Energizer]）

医疗系统使用的电池必须符合 ANSI/AAMI ES 60601-1 等标准。设计人员可以通过与知名供应商合作，确保其选出的电池符合法规要求。

适用于电池供电型医疗系统的 DC/DC 转换方案

电压调节可使所选电池的输出符合各种系统的输入电压要求。例如，3 V 电池可能会为一条电路提供 2 V 电压，为另一条电路提供 1.1 V 电压。当电池电压在放电过程中降低时，调节功能还可用来保持可靠的恒定电压。

用于电压调节的商用 DC/DC 转换器分为两大类：低压差 (LDO) 线性稳压器和开关稳压器。LDO 比较简单，但通常效率不高，而且只能降低电池电压（降压）。不过，LDO 的效率会随着输入和输出电压差的减小而提高（效率与 V OUT /VIN 成正比）。LDO 的其他优点包括体积小、价格低以及没有开关稳压器固有的电压纹波噪声。

开关稳压器的效率通常较高；部分类型可以升高（升压）和降低（降压）电池电压。开关稳压器的缺点是设计复杂、可能产生电磁干扰 (EMI)、成本高、印刷电路板（PC 板）尺寸大。

用于医疗应用的高效开关降压稳压器的一个例子是 Analog Devices 的 [MAX38640AENT+]。该器件的输入电压为 1.8 至 5.5 V，输出电压为 0.7 至 3.3 V。这款稳压器支持 175、350 或 700 mA 的负载电流，峰值效率高达 96%。此外，在负载电流低至 10 µA 时，其效率还能达到 88%（图 2）。芯片采用紧凑型 1.42 x 0.89 mm 6 引脚晶圆级封装 (WLP) 和 2 x 2 mm 6 引脚 µDFN 封装。

图 2：MAX38640 稳压器在宽泛的负载-电流范围内显示出优良效率，有助于延长医疗系统中电池的寿命。（图片来源：Analog Devices）

电池的医疗应用实例

要求工作时间为五天的心电图 (ECG) 胸部贴片是一个典型应用范例。这种贴片是一次性产品，配有不可更换的电池。其具有低功耗蓝牙 (LE) 连接功能，可无线传输心电图数据。

该贴片基于 [MAX30001]心电图模拟前端 (AFE) 和 [MAX32655]微控制器单元 (MCU)。它还配备了 [MAX30208] 温度传感器和 [ADXL367B]加速计。

由于是一次性贴片应用，电池必须价格低廉、完全密封、体积小且重量轻。这些要求使得纽扣电池成为一种不错的选择。

终端系统的低功耗蓝牙通信和 MAX32655 MCU 的不同工作模式需要大电流，因此 LMO 和 Ag2O 是合适的电化学成分。LMO 的标称输出电压为 3.0 V，比能量是 Ag2O 的两倍。LMO 可以采用便利的 CR2032 纽扣电池形式，容量高达 235 mAh。Ag2O 的标称输出电压为 1.55 V，现有最大的氧化银纽扣电池是容量为 200 mAh 的 SR44W 电池。

心电图胸部贴片的负载曲线是在每天约 45 mAh 的条件下估算的：45 x 5 天 = 225 mAh。这一数值刚好在 LMO 电池 235 mAh 的容量范围内，但超出了 Ag2O 电池 200 mAh 的容量。因此，LMO 电池是这种医疗应用的最佳选择。

设计电压调节电路

在电压调节方面，设计人员可将 LMO 电池的 3 V 标称电压输出作为三个 MAX38640 降压开关稳压器的输入。

其中两个稳压器可为 MAX30001 提供模拟和数字输入。两者均需要 1.1 至 2 V 的电压，所需的电流也在稳压器的容量范围内。

另一个 MAX38640 稳压器为 MCU、温度传感器和加速计供电。MCU 需要的最小输入电压为 2 V，温度传感器的最小输入电压为 1.7 V，加速计的最小输入电压为 1.1 V。所有三个器件的电流消耗都在稳压器的容量范围内。图 3 显示了将电池寿命延长至五天的电源设计示意图。

图 3：在包括 MCU、温度传感器和加速计的心电图贴片电源设计中，三个高效降压开关稳压器将电池寿命延长至五天。（图片来源：Analog Devices）

结语

影响医疗器械电池选择的因素有很多。为了最大限度地延长电池寿命，确保敏感的集成电路获得稳定、无噪声的电压供应，必须使用 LDO 或开关转换器对电池输出进行调节。每个类别都有许多商用模块可供选择，选择时主要是在效率、成本和设计复杂性之间进行权衡。

审核编辑 黄宇