Scelta e ottimizzazione delle batterie nei dispositivi medici

La scelta della migliore batteria per un dispositivo medico portatile è importante quanto quella del processore, del chip wireless e della memoria flash. Una scelta sbagliata della fonte di energia può compromettere seriamente le prestazioni di un prodotto altrimenti ben progettato.

Poiché la tensione di qualsiasi tipo di batteria varia in base a parametri quali la carica, il carico e la temperatura, la regolazione è necessaria per garantire una tensione costante e affidabile al carico.

Questo articolo fornisce una breve panoramica delle composizioni chimiche delle batterie adatte per i dispositivi medici. Presenta quindi le opzioni di regolazione della tensione di Analog Devices e si avvale di un'applicazione pratica per mostrarne l'impiego.

Comprendere le caratteristiche della batteria

I seguenti parametri influenzano la scelta della batteria per un dispositivo medico:

• Necessità di una batteria primaria o secondaria (ricaricabile)
• Dimensioni, tensione, resistenza interna, capacità ed energia specifica della batteria
• Elettrochimica delle batterie
• Normative applicabili

Le batterie primarie hanno una corrente di autoscarica inferiore rispetto alle celle secondarie, che le rende più adatte a sistemi con tempi di utilizzo prolungati. Lo svantaggio è che si deve sostituire e smaltire la cella una volta scaricata.

Le batterie secondarie sono più adatte alle applicazioni con un assorbimento di corrente relativamente elevato. Sono generalmente più costose delle celle primarie e la complessità del sistema aumenta a causa della necessità di incorporare i circuiti di ricarica.

Le dimensioni del sistema aiutano a determinare i limiti delle dimensioni fisiche della batteria, mentre la durata della batteria e l'assorbimento medio di corrente del sistema aiutano a determinare la capacità richiesta. Una maggiore energia specifica (kilojoule per chilogrammo (kJ/kg)) porta a una batteria più leggera a parità di energia immagazzinata.

La resistenza interna di una batteria dissipa la potenza. L'elettrochimica, i materiali di costruzione della custodia e le dimensioni della batteria influenzano questa resistenza. Inoltre, le batterie compatte tendono a presentare una resistenza interna più elevata rispetto a quelle più grandi. Le batterie al litio presentano in genere una resistenza interna più bassa rispetto a quelle alcaline, il che le rende adatte ad applicazioni ad alto assorbimento di corrente grazie alla dissipazione di potenza che ne deriva. Durante il funzionamento, la resistenza interna di una batteria varia a seconda della velocità e della profondità di scarica, della temperatura e dell'età della batteria, tra gli altri fattori.

La tensione di uscita nominale di una batteria è determinata dall'elettrochimica. Ad esempio, una batteria alcalina primaria al nichel-zinco (NiZn) ha una tensione nominale di 1,5 V e un'energia specifica di 720 kJ/kg (o 200 Wh/kg). Una batteria primaria al litio-diossido di manganese (LMO) ha una tensione nominale di 3,0 V e un'energia specifica di 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

Lo zinco-aria e l'ossido di argento (Ag₂O) sono altre composizioni elettrochimiche comuni. Le batterie zinco-aria comprendono un anodo di zinco, un separatore di pasta elettrolitica e un catodo di aria ambiente. Questo tipo è comunemente fornito nel fattore di forma della batteria a bottone. Grazie al catodo non metallico, la batteria zinco-aria è leggera e relativamente economica. Presenta una curva di scarica relativamente piatta e una tensione di uscita nominale di 1,4 V.

Le batterie AG₂O combinano un catodo di argento e un anodo di zinco. Hanno una tensione nominale di uscita simile a quella delle batterie alcaline, pari a 1,55 V, ma tendono ad avere una capacità maggiore e una curva di scarica più piatta. Queste batterie sono generalmente più sicure e hanno una durata maggiore rispetto alle batterie al litio, con una curva di scarica simile.

La Tabella 1 riassume i vari tipi di batterie primarie.

Tabella 1: Le tensioni minime, nominali e massime e l'energia specifica di diverse composizioni elettrochimiche delle batterie primarie. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La tensione della batteria diminuisce con la scarica. La Figura 1 mostra la tensione di uscita di una batteria alcalina AA con un carico di corrente costante di 100 mA. La regolazione è necessaria per garantire che una o più batterie possano fornire una o più tensioni stabili e costanti ai componenti del sistema.

Figura 1: La tensione della batteria diminuisce con l'esaurimento dell'energia. Questo esempio mostra la tensione di uscita di una batteria alcalina AA sotto un carico di corrente costante di 100 mA. (Immagine per gentile concessione di Energizer)

Le batterie per i sistemi medicali sono soggette a standard come ANSI/AAMI ES 60601-1. I progettisti possono assicurarsi che le batterie selezionate soddisfino i requisiti normativi collaborando con un fornitore rispettato.

Opzioni di conversione c.c./c.c. per sistemi medicali alimentati a batteria

La regolazione della tensione adatta l'uscita della batteria selezionata ai vari requisiti di tensione di ingresso del sistema. Ad esempio, una batteria da 3 V potrebbe fornire 2 V a un circuito e 1,1 V a un altro. La regolazione può essere utilizzata anche per mantenere una tensione costante affidabile quando la tensione della batteria diminuisce durante la scarica.

Esistono due categorie principali di convertitori c.c./c.c. commerciali per la regolazione della tensione: il regolatore lineare a bassa caduta di tensione (LDO) e il regolatore a commutazione. Gli LDO sono più semplici, ma tendono a essere meno efficienti e possono solo ridurre la tensione della batteria (buck). Tuttavia, un LDO diventa più efficiente al diminuire della differenza di tensione in ingresso e in uscita (l'efficienza è proporzionale a V_OUT/V_IN). Le dimensioni compatte, il prezzo inferiore e l'assenza di rumore di ripple di tensione tipici dei regolatori a commutazione sono altri vantaggi degli LDO.

I regolatori a commutazione offrono generalmente una maggiore efficienza; alcuni tipi possono aumentare (boost) e diminuire (buck) la tensione della batteria. Gli svantaggi dei regolatori a commutazione sono la complessità della progettazione, il potenziale di interferenze elettromagnetiche (EMI), il costo e l'ingombro maggiore delle schede a circuiti stampati (scheda CS).

(Vedere "Selezione del regolatore corretto per ogni applicazione" e "Capire i vantaggi e gli svantaggi dei regolatori lineari".)

Un esempio di regolatore buck a commutazione altamente efficiente per applicazioni medicali è MAX38640AENT+ di Analog Devices. Questo dispositivo funziona con un ingresso da 1,8 a 5,5 V e fornisce un'uscita compresa tra 0,7 e 3,3 V. Il regolatore supporta correnti di carico di 175, 350 o 700 mA con efficienze di picco del 96%. Offre inoltre un'efficienza dell'88% con correnti di carico fino a 10 µA (Figura 2). Il chip è fornito in un contenitore a livello di wafer (WLP) compatto a 6 pin di 1,42 x 0,89 mm e in uno µDFN a 6 pin di 2 x 2 mm.

Figura 2: MAX38640 dimostra una buona efficienza su un ampio intervallo della corrente di carico, contribuendo a prolungare la durata delle batterie nei sistemi medicali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Esempio di applicazione medica della batteria

Un cerotto toracico per elettrocardiogramma (ECG) con un tempo di funzionamento desiderato di cinque giorni è un buon esempio di applicazione. Il cerotto è monouso, con una batteria non sostituibile. È dotato di connettività Bluetooth Low Energy (LE) per trasmettere i dati ECG in modalità wireless.

Il cerotto si basa su un front-end analogico (AFE) ECG MAX30001 e su un'unità microcontroller (MCU) MAX32655. Dispone inoltre di un sensore di temperatura MAX30208 e di un accelerometro ADXL367B.

Poiché l'applicazione è un cerotto monouso, la batteria deve essere economica, completamente sigillata, piccola e leggera. Questi requisiti rendono il fattore di forma a bottone una buona scelta.

La comunicazione Bluetooth LE del sistema finale e le diverse modalità operative dell'MCU MAX32655 richiedono correnti elevate, che fanno di LMO e Ag₂O le composizioni chimiche adatte. LMO ha una tensione nominale di uscita di 3,0 V e un'energia specifica doppia rispetto a quella di Ag₂O. LMO può essere fornito in un comodo formato a bottone CR2032 con una capacità fino a 235 mAh. Ag₂O ha una tensione nominale di uscita di 1,55 V e il più grande fattore di forma disponibile è la batteria SR44W con una capacità di 200 mAh.

Il profilo di carico del cerotto toracico ECG è stimato a circa 45 mAh al giorno: 45 x 5 giorni = 225 mAh. Si tratta di una capacità appena inferiore a quella della batteria LMO da 235 mAh, ma superiore a quella della cella Ag₂O da 200 mAh. La batteria LMO è quindi la scelta migliore per questa applicazione medicale.

Progettazione del circuito di regolazione della tensione

Per la regolazione della tensione, il progettista può utilizzare l'uscita nominale di 3 V della batteria LMO come ingresso per tre regolatori di commutazione buck MAX38640.

Due di questi regolatori possono alimentare gli ingressi analogici e digitali di MAX30001. Entrambi richiedono un'alimentazione compresa tra 1,1 e 2 V e richiedono una corrente ben al di sotto della capacità del regolatore.

Un altro regolatore MAX38640 alimenta l'MCU, il sensore di temperatura e l'accelerometro. L'MCU richiede una tensione minima di ingresso di 2 V, il sensore di temperatura ha un requisito minimo di 1,7 V e l'accelerometro ha un requisito minimo di 1,1 V. L'assorbimento di corrente di tutti e tre i dispositivi rientra nella capacità del regolatore. La Figura 3 mostra uno schema del progetto dell'alimentatore che estende la durata della batteria a cinque giorni.

Figura 3: Nel progetto dell'alimentatore di un cerotto ECG con MCU, sensore di temperatura e accelerometro, tre efficienti regolatori di commutazione buck estendono la durata della batteria a cinque giorni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

Diversi fattori influenzano la scelta della batteria per i dispositivi medici. Per massimizzare la durata della batteria e garantire che i CI sensibili ricevano un'alimentazione stabile e priva di rumore, l'uscita della batteria deve essere regolata da LDO o da convertitori a commutazione. Per ogni categoria sono disponibili molti moduli commerciali e la scelta è principalmente un compromesso tra efficienza, costi e complessità del progetto.