主要电池供电病人监护器的电源设计

远程病人监测器不断发展,包括更多的功能,使医生能够对病人的健康有更深入的了解。这些功能对为显示器供电的单电池电池产生了更大的需求。本文为心电图远程患者监控该设备提供了一个电源解决方案,该该设备可以保留电池寿命,以利用这些功能。本文还介绍了精确估计RPM电池寿命的策略,以及在RPM启动前延长电池寿命的方法。

物联网革命使得医疗服务提供者利用技术为患者提供实时护理的模式发生了转变。今天,远程病人监测是一个新的医疗设备正在改变医生与病人互动方式的领域。较小的集成电路和无线通信使几十年前的设备能够更新,以增强功能形式因素,增加患者坚持和结果。现在的远程患者监控该设备包括收集心率、温度和加速度计数据的各种传感器。这些该设备将患者数据传输到云端,使患者和医生能够实时访问数据。

虽然这些设备提高了医生提供更好护理的能力,但它们给电力供应设计者带来了挑战,他们必须平衡系统性能和电池寿命要求。随着第二代该设备采用多式联运技术来提高精度和效率,挑战进一步增加,这反过来又增加了对电力供应的需求。

一个235maMCR2032锂硬币电池电池提供电源电压调节器,微控制器,心电图前端,带有一个温度传感器和加速度计。在本文中,我们将参考该该设备连续监控心电图和加速度计,同时每15分钟检查一次温度。数据通过蓝牙传输 ® 低能量(BLL)每2小时一次,每天总共12BL交易。这个该设备包含三个不同的模式,每个不同的负载剖面:标准监测,温度监测和传输模式。在标准监测模式下,只对心电图和加速度计进行监测。在温度监测模式下,附加温度传感器被监测.在传输模式下,BL无线电通信数据,同时监测心电图和加速度计数据。

电力供应挑战

设计一个RPM,例如一个心电图该设备,对电源设计者提出了多种挑战。设计典型的空间约束和该设备几个传感器可能需要多个动力轨。因为RPM该设备通常是一个单用途的项目,硬币电池电池通常是设计者可用的最具成本效益的电源。只使用一个硬币电池电池为该设备供电,设计者也必须认识到电源子系统的效率。

对电源设计师来说,一个经常被忽视的挑战是延长产品的保质期。关闭电流和电池自放电可以缩短任何系统的寿命。因此,对于设计者来说,重要的是确定RPM该设备是否能够在一个典型的保质期之后满足操作时间要求,如果不能,可以在该设备到达最终用户之前采取什么步骤来保持电池寿命。

确定电池运行时间

为了准确确定电源解决方案是否满足电池寿命要求,必须确定负载配置。负载配置文件是系统负载负荷周期的简单表示.对于我们正在使用的远程患者监控该设备,我们将考虑以前提出的三种不同的操作模式:标准监控、温度监控和传输模式。

在标准监控模式下,该设备的电流消耗量(包括每个LDO变换器330纳的静止电流和单片机的电流提取量)为1.88mA。在温度监控模式下,每15分钟200毫安的电流为1.95毫安.在传输模式下,当该设备正通过BL传输数据时,当前的拉幅为7.90MA,每两小时30秒。这些值可以在相应的设备数据表中找到,通过查看活动和静止的电流规范。

为了开始负荷分布分析,需要使用一天内每个操作模式的时间段来计算任务周期。

从表1中可以看到我们的该设备。

表1该设备操作模式的工作周期

电池容量=235MAH

每日标准监测模式电流=44.92mAh/日

每日温度监测模式电流=0.01mAh/日

Battery Life (Days) = 235 mAh/(44.92 mAh/Day + 0.01 mAh/Day + 0.79 mA/Day) = 5.14 Days

这些计算结果表明,该设备将满足5天运行时的要求,电池寿命超过5.1天。然而,这是欺骗性的,因为这并不考虑系统的保质期。在医疗设备行业,设计14个月的保质期(在货架上12个月,厂家2个月)是最佳做法。

对生活的考虑

在总结系统中设备的关闭电流时,使用RR2032电池每年1%至2%的自放电率,可以看到,14个月后,电池没有足够的能力支持5天的运行时间和电池密封是必要的。

表2 14个月后的电池容量

储存14个月后的电池容量将会严重降低。大约40%的CR2032的能量将消耗于关闭电流和电池自泄漏,而坐在架子上闲置。将该电池容量插入方程3,可以确定更精确的运行时间:

电池寿命(天)=146.66马赫/(标准监测模式+温度监测模式+传输模式)

Battery Life (Days) = 146.66 mAh/(44.92 mAh/Day + 0.01 mAh/Day + 0.79 mA/Day) = 3.21 Days

当电池放在架子上超过一年时,电池的容量受到电池自放电和系统关闭电流的影响。电池自放电是电池化学和环境的一个功能。KR2032电池具有锂锰化学和1%-2%的自放电率。在一年结束时,硬币电池电池在休眠时会损失2%的容量。与此同时,一个Br2032电池具有锂碳一氟化物化学和每年0.3%的自放电率。可以很容易地假设,应用中最好的电池化学是放电率最低的电池,但情况未必如此。虽然BR2032电池的放电率较低,但它的电池容量也低于RR2032电池的200MA。使用以前的公式重新计算,人们可以确定这样一个低容量的电池是否足够。

在这个心电图该设备中,当系统关闭时,IC关闭电流是降低电池寿命的最大贡献。当一个IC被禁用并且没有活动负载时,就会拉出关闭电流.这些电流通常是由于集成电路和集成电路内的ESD保护装置的泄漏造成的,即使在没有负载的情况下也会吸引少量的电流。这些电流通常很小(低于1倍a),但会对电池寿命产生巨大影响。在这个RPM该设备中,关闭电流可以在一年中减少40%的电池容量。一个电池密封可以用来限制系统在关闭时从电池拉出太多的电流。

电池密封的两种常见选择是以Mylar拉卡形式的机械电池密封和以负载开关形式的电池密封。Mylar/塑料拉杆提供一个机械电池密封,塑料拉杆位于电池和系统之间。当设备准备好使用时,用户只需提取塑料标签,电池就可以启动系统。这是一个简单的,廉价的,并已被证明的机械电池密封使用多年。然而,对于医疗设备而言,这种解决办法并不总是可行的。对于需要防水的心电图贴片,Mylar突出的槽可以使贴片容易受到水的损害。此外,小型塑料标签可能难以使用的最终用户的低灵活性。

一个简单的负载开关,如VISHYSIP32341,将是一个很好的选择,电电池密封。该设备是一种FET,当打开时,它会将电池与系统的其他部分隔离开,使SIP32341关闭电流成为电池上唯一的吸引力。负载开关有一个逻辑控制线,可以在设备准备使用时通过按钮打开。SIP32341有一个14帕典型的关闭电流,这是一个戏剧性的改进,比目前整个系统的吸引,如果没有电池密封。当SIP32341被用作电池密封时,在14个月的时间里,CR2032原电池保持了99.97%的容量。当没有使用电池密封来保护电池不受心电图该设备关闭电流时,CR2032原电池仅保留其原来电荷的62.39%。这37%的容量差异是使心电图贴片在14个月的保质期后满足5天的要求。

表3电池密封14个月后的电池容量

电池密封通过防止系统中的所有设备从电池中提取关闭电流来保持电池的容量。超过99.9%的电池容量是剩余后,RPM该设备闲置14个月。

将电池容量插入方程3,可以确定更精确的运行时间:

电池寿命(天)=230.25MAH/(标准监测模式+温度监测模式+传输模式)

Battery Life (Days) = 230.25 mAh/(44.92 mAh/Day + 0.01 mAh/Day + 0.79 mA/Day) = 5.04 Days

结论

对一个系统进行电池分析时,它是活动的,当它处于关闭/低功率模式,是关键的电源设计,将满足所有医疗设备的要求。虽然本文专门讨论了一个心电图贴片,它收集了心率、温度和加速度数据,但是本文中的分析和原理可以应用于由原电池驱动的任何数量的医疗设备系统。