主要電池供電病人監(jiān)護(hù)器的電源設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程病人監(jiān)測(cè)器不斷發(fā)展,包括更多的功能,使醫(yī)生能夠?qū)Σ∪说慕】涤懈钊氲牧私?。這些功能對(duì)為顯示器供電的單電池電池產(chǎn)生了更大的需求。本文為心電圖遠(yuǎn)程患者監(jiān)控該設(shè)備提供了一個(gè)電源解決方案,該該設(shè)備可以保留電池壽命,以利用這些功能。本文還介紹了精確估計(jì)RPM電池壽命的策略,以及在RPM啟動(dòng)前延長(zhǎng)電池壽命的方法。

物聯(lián)網(wǎng)革命使得醫(yī)療服務(wù)提供者利用技術(shù)為患者提供實(shí)時(shí)護(hù)理的模式發(fā)生了轉(zhuǎn)變。今天,遠(yuǎn)程病人監(jiān)測(cè)是一個(gè)新的醫(yī)療設(shè)備正在改變醫(yī)生與病人互動(dòng)方式的領(lǐng)域。較小的集成電路和無線通信使幾十年前的設(shè)備能夠更新,以增強(qiáng)功能形式因素,增加患者堅(jiān)持和結(jié)果?，F(xiàn)在的遠(yuǎn)程患者監(jiān)控該設(shè)備包括收集心率、溫度和加速度計(jì)數(shù)據(jù)的各種傳感器。這些該設(shè)備將患者數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?使患者和醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)訪問數(shù)據(jù)。

雖然這些設(shè)備提高了醫(yī)生提供更好護(hù)理的能力,但它們給電力供應(yīng)設(shè)計(jì)者帶來了挑戰(zhàn),他們必須平衡系統(tǒng)性能和電池壽命要求。隨著第二代該設(shè)備采用多式聯(lián)運(yùn)技術(shù)來提高精度和效率,挑戰(zhàn)進(jìn)一步增加,這反過來又增加了對(duì)電力供應(yīng)的需求。

一個(gè)235maMCR2032鋰硬幣電池電池提供電源電壓調(diào)節(jié)器,微控制器,心電圖前端,帶有一個(gè)溫度傳感器和加速度計(jì)。在本文中,我們將參考該該設(shè)備連續(xù)監(jiān)控心電圖和加速度計(jì),同時(shí)每15分鐘檢查一次溫度。數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸 ® 低能量(BLL)每2小時(shí)一次,每天總共12BL交易。這個(gè)該設(shè)備包含三個(gè)不同的模式,每個(gè)不同的負(fù)載剖面: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,只對(duì)心電圖和加速度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在溫度監(jiān)測(cè)模式下,附加溫度傳感器被監(jiān)測(cè).在傳輸模式下,BL無線電通信數(shù)據(jù),同時(shí)監(jiān)測(cè)心電圖和加速度計(jì)數(shù)據(jù)。

電力供應(yīng)挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)一個(gè)RPM,例如一個(gè)心電圖該設(shè)備,對(duì)電源設(shè)計(jì)者提出了多種挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)典型的空間約束和該設(shè)備幾個(gè)傳感器可能需要多個(gè)動(dòng)力軌。因?yàn)镽PM該設(shè)備通常是一個(gè)單用途的項(xiàng)目,硬幣電池電池通常是設(shè)計(jì)者可用的最具成本效益的電源。只使用一個(gè)硬幣電池電池為該設(shè)備供電,設(shè)計(jì)者也必須認(rèn)識(shí)到電源子系統(tǒng)的效率。

對(duì)電源設(shè)計(jì)師來說,一個(gè)經(jīng)常被忽視的挑戰(zhàn)是延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期。關(guān)閉電流和電池自放電可以縮短任何系統(tǒng)的壽命。因此,對(duì)于設(shè)計(jì)者來說,重要的是確定RPM該設(shè)備是否能夠在一個(gè)典型的保質(zhì)期之后滿足操作時(shí)間要求,如果不能,可以在該設(shè)備到達(dá)最終用戶之前采取什么步驟來保持電池壽命。

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滿足電池壽命要求,必須確定負(fù)載配置。負(fù)載配置文件是系統(tǒng)負(fù)載負(fù)荷周期的簡(jiǎn)單表示.對(duì)于我們正在使用的遠(yuǎn)程患者監(jiān)控該設(shè)備,我們將考慮以前提出的三種不同的操作模式:標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控、溫度監(jiān)控和傳輸模式。

在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式下,該設(shè)備的電流消耗量(包括每個(gè)LDO變換器330納的靜止電流和單片機(jī)的電流提取量)為1.88mA。在溫度監(jiān)控模式下,每15分鐘200毫安的電流為1.95毫安.在傳輸模式下,當(dāng)該設(shè)備正通過BL傳輸數(shù)據(jù)時(shí),當(dāng)前的拉幅為7.90MA,每?jī)尚r(shí)30秒。這些值可以在相應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)表中找到,通過查看活動(dòng)和靜止的電流規(guī)范。

為了開始負(fù)荷分布分析,需要使用一天內(nèi)每個(gè)操作模式的時(shí)間段來計(jì)算任務(wù)周期。

從表1中可以看到我們的該設(shè)備。

表1該設(shè)備操作模式的工作周期

電池容量=235MAH

每日標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式電流=44.92mAh/日

每日溫度監(jiān)測(cè)模式電流=0.01mAh/日

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

這些計(jì)算結(jié)果表明,該設(shè)備將滿足5天運(yùn)行時(shí)的要求,電池壽命超過5.1天。然而,這是欺騙性的,因?yàn)檫@并不考慮系統(tǒng)的保質(zhì)期。在醫(yī)療設(shè)備行業(yè),設(shè)計(jì)14個(gè)月的保質(zhì)期(在貨架上12個(gè)月,廠家2個(gè)月)是最佳做法。

對(duì)生活的考慮

在總結(jié)系統(tǒng)中設(shè)備的關(guān)閉電流時(shí),使用RR2032電池每年1%至2%的自放電率,可以看到,14個(gè)月后,電池沒有足夠的能力支持5天的運(yùn)行時(shí)間和電池密封是必要的。

表2 14個(gè)月后的電池容量

儲(chǔ)存14個(gè)月后的電池容量將會(huì)嚴(yán)重降低。大約40%的CR2032的能量將消耗于關(guān)閉電流和電池自泄漏,而坐在架子上閑置。將該電池容量插入方程3,可以確定更精確的運(yùn)行時(shí)間:

電池壽命(天)=146.66馬赫/(標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式+溫度監(jiān)測(cè)模式+傳輸模式)

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

當(dāng)電池放在架子上超過一年時(shí),電池的容量受到電池自放電和系統(tǒng)關(guān)閉電流的影響。電池自放電是電池化學(xué)和環(huán)境的一個(gè)功能。KR2032電池具有鋰錳化學(xué)和1%-2%的自放電率。在一年結(jié)束時(shí),硬幣電池電池在休眠時(shí)會(huì)損失2%的容量。與此同時(shí),一個(gè)Br2032電池具有鋰碳一氟化物化學(xué)和每年0.3%的自放電率。可以很容易地假設(shè),應(yīng)用中最好的電池化學(xué)是放電率最低的電池,但情況未必如此。雖然BR2032電池的放電率較低,但它的電池容量也低于RR2032電池的200MA。使用以前的公式重新計(jì)算,人們可以確定這樣一個(gè)低容量的電池是否足夠。

在這個(gè)心電圖該設(shè)備中,當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí),IC關(guān)閉電流是降低電池壽命的最大貢獻(xiàn)。當(dāng)一個(gè)IC被禁用并且沒有活動(dòng)負(fù)載時(shí),就會(huì)拉出關(guān)閉電流.這些電流通常是由于集成電路和集成電路內(nèi)的ESD保護(hù)裝置的泄漏造成的,即使在沒有負(fù)載的情況下也會(huì)吸引少量的電流。這些電流通常很小(低于1倍a),但會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生巨大影響。在這個(gè)RPM該設(shè)備中,關(guān)閉電流可以在一年中減少40%的電池容量。一個(gè)電池密封可以用來限制系統(tǒng)在關(guān)閉時(shí)從電池拉出太多的電流。

電池密封的兩種常見選擇是以Mylar拉卡形式的機(jī)械電池密封和以負(fù)載開關(guān)形式的電池密封。Mylar/塑料拉桿提供一個(gè)機(jī)械電池密封,塑料拉桿位于電池和系統(tǒng)之間。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好使用時(shí),用戶只需提取塑料標(biāo)簽,電池就可以啟動(dòng)系統(tǒng)。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的,廉價(jià)的,并已被證明的機(jī)械電池密封使用多年。然而,對(duì)于醫(yī)療設(shè)備而言,這種解決辦法并不總是可行的。對(duì)于需要防水的心電圖貼片,Mylar突出的槽可以使貼片容易受到水的損害。此外,小型塑料標(biāo)簽可能難以使用的最終用戶的低靈活性。

一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)載開關(guān),如VISHYSIP32341,將是一個(gè)很好的選擇,電電池密封。該設(shè)備是一種FET,當(dāng)打開時(shí),它會(huì)將電池與系統(tǒng)的其他部分隔離開,使SIP32341關(guān)閉電流成為電池上唯一的吸引力。負(fù)載開關(guān)有一個(gè)邏輯控制線,可以在設(shè)備準(zhǔn)備使用時(shí)通過按鈕打開。SIP32341有一個(gè)14帕典型的關(guān)閉電流,這是一個(gè)戲劇性的改進(jìn),比目前整個(gè)系統(tǒng)的吸引,如果沒有電池密封。當(dāng)SIP32341被用作電池密封時(shí),在14個(gè)月的時(shí)間里,CR2032原電池保持了99.97%的容量。當(dāng)沒有使用電池密封來保護(hù)電池不受心電圖該設(shè)備關(guān)閉電流時(shí),CR2032原電池僅保留其原來電荷的62.39%。這37%的容量差異是使心電圖貼片在14個(gè)月的保質(zhì)期后滿足5天的要求。

表3電池密封14個(gè)月后的電池容量

電池密封通過防止系統(tǒng)中的所有設(shè)備從電池中提取關(guān)閉電流來保持電池的容量。超過99.9%的電池容量是剩余后,RPM該設(shè)備閑置14個(gè)月。

將電池容量插入方程3,可以確定更精確的運(yùn)行時(shí)間:

電池壽命(天)=230.25MAH/(標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式+溫度監(jiān)測(cè)模式+傳輸模式)

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

結(jié)論

對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電池分析時(shí),它是活動(dòng)的,當(dāng)它處于關(guān)閉/低功率模式,是關(guān)鍵的電源設(shè)計(jì),將滿足所有醫(yī)療設(shè)備的要求。雖然本文專門討論了一個(gè)心電圖貼片,它收集了心率、溫度和加速度數(shù)據(jù),但是本文中的分析和原理可以應(yīng)用于由原電池驅(qū)動(dòng)的任何數(shù)量的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。