בחירת ומיטוב סוללות בהתקנים רפואיים

בחירת הסוללה הטובה ביותר עבור התקן רפואי נישא חשובה לא פחות מבחירת המעבד, השבב האלחוטי וזיכרון ה-Flash המתאימים. בחירה גרועה של מקור אנרגיה עלולה לפגוע קשות בביצועים‏ ‏של מוצר שמבחינות אחרות מתוכנן היטב.

מכיוון שהמתח של כל סוג סוללה משתנה עם פרמטרים כגון טעינה, עומס וטמפרטורה, יש צורך בייצוב כדי להבטיח מתח קבוע אמין לעומס.

מאמר זה מספק סקירה קצרה של כימיקלים של סוללות המתאימים למכשור רפואי. אחר כך הוא מציג אפשרויות ייצוב מתח מבית Analog Devices‏ ומשתמש ביישום פרקטי כדי להראות כיצד הן מיושמות.‏

הבנת מאפייני הסוללה

הפרמטרים הבאים משפיעים על בחירת סוללה עבור מוצר‏ רפואי:

• דרישה של סוללה ראשונית (בלתי-נטענת) או סוללה שניונית (נטענת)
• גודל סוללה, מתח, התנגדות פנימית, קיבולת ואנרגיה ספציפית
• אלקטרוכימיה של הסוללה
• תקנות ישימות

סוללות ראשוניות הן בעלות זרם‏ פריקה-עצמית נמוך יותר מתאים שניוניים. זה עושה אותן מתאימות יותר עבור מערכות עם זמן ממושך בין שימושים. החיסרון הוא הצורך להחליף ולהשליך את התא לאחר שנפרק.

סוללות שניוניות מתאימות יותר ליישומים עם משיכת זרם גבוה יחסית. הן בדרך כלל יקרות יותר מתאים ראשוניים, ומורכבות המערכת מוגדלת בגלל הצורך לכלול מעגלי טעינה.

ממדי המערכת עוזרים לקבוע את מגבלות הגודל הפיזי של הסוללה, בעוד שיעד אורך חיי סוללה ומשיכת זרם ממוצעת של המערכת מסייעים לקבוע את הקיבולת הדרושה. אנרגיה סגולית גדולה יותר (קילו-ג'אול לקילוגרם (kJ/kg)) מאפשרת סוללה קלה יותר עבור אחסון אנרגיה נתונה.‏

ההתנגדות הפנימית של‏ סוללה מפזרת הספק. אלקטרוכימיה, חומרי הבנייה של המארז ומידות הסוללה משפיעים על התנגדות זו. כמו כן, סוללות קומפקטיות נוטות להיות בעלות התנגדות פנימית גבוהה יותר מסוללות גדולות יותר. סוללות ליתיום, באופן כללי, מתאפיינות בהתנגדות פנימית נמוכה יותר מסוללות אלקליין, מה שעושה אותן מתאימות ליישומי משיכת זרם גבוה בשל פיזור ההספק שנוצר כתוצאה מכך. במהלך עבודה, ההתנגדות הפנימית של סוללה תשתנה בין היתר בהתאם לקצב ועומק הפריקה, הטמפרטורה וגיל הסוללה.

מתח היציאה הנומינלי של סוללה נקבע על ידי האלקטרוכימיה שלה. לדוגמה, המתח הנומינלי של סוללת‏ ניקל-אבץ (NiZn‏) ראשונית הוא 1.5 וולט ואנרגיה סגולית של ‎720 kJ/kg (או 0‏20‏ ואט‏ שעות לקילוגרם (Wh/kg‏)). סוללת תחמוצת ליתיום מנגן (LMO) היא בעלת מתח נומינלי של 3.0 וולט ואנרגיה סגולית של ‎1008 kJ/kg ‏(‎280 Wh/kg).

אבץ-אוויר ותחמוצת כסף (Ag₂O) הן אלקטרוכימיות נפוצות אחרות. סוללות אבץ-אוויר מורכבות מאנודת אבץ, מפריד משחה אלקטרוליטית וקתודת אוויר סביבתי. סוג זה בדרך כלל מסופק בגורם צורה של תא כפתור. בגלל הקתודה הלא מתכתית שלה, סוללת אבץ-אוויר היא קלת משקל ויחסית לא-יקרה. היא כוללת עקומת פריקה שטוחה יחסית ומתח יציאה נומינלי‏ של‏ 1.4‏ וולט.

סוללות Ag₂O משלבות קתודת כסף ואנודת‏ אבץ. הן בעלות מתח יציאה‏ נומינלי דומה לסוללות אלקליין של‏ 1.55 וולט אך נוטות להיות מסופקות עם קיבולת גבוהה יותר ועקומת פריקה שטוחה יותר. סוללות אלו באופן כללי הן בטוחות יותר ומתאפיינות בחיים ארוכים יותר מסוללות ליתיום עם‏ עקומת פריקה דומה.

טבלה 1 מסכמת את הסוגים השונים של סוללות ראשוניות.

טבלה 1‏: מוצגים המתחים המינימליים, הנומינליים והמקסימליים והאנרגיה הסגולית עבור אלקטרוכימיות של סוללות ראשוניות שונות. (מקור תמונה: Analog Devices)

מתח סוללה יורד עם פריקה. איור 1‏ מראה את מתח היציאה של סוללת אלקליין AA עם עומס זרם קבוע של‏ 100 מילי-אמפר (mA‏‏). נדרש ייצוב כדי להבטיח שהסוללה או הסוללות יוכלו לספק מתח יציב אחד או יותר באופן עקבי עבור רכיבי המערכת.

איור 1: מתח סוללה יורד ככל שהאנרגיה מתרוקנת. דוגמה זו מראה את מתח היציאה של סוללת אלקליין AA תחת עומס זרם קבוע של ‎100 mA. (מקור תמונה: Energizer)

סוללות עבור מערכות רפואיות כפופות לתקנים כגון ה-ANSI/AAMI ES 60601-1. מתכננים יכולים להבטיח שהסוללות שלהם ברשימה הקצרה עומדות בדרישות רגולטוריות על ידי עבודה עם‏ ספק מכובד.

‏אפשרויות המרת DC/DC עבור מערכות רפואיות מוזנות-סוללה

ייצוב מתח מתאים את היציאה של הסוללה הנבחרת לדרישות שונות של מתח כניסה למערכת. לדוגמה, ניתן לצפות שסוללה של‏ 3‏ וולט‏ תספק 2 וולט למעגל אחד ו-1.1 וולט למעגל שני. ניתן להשתמש בייצוב גם כדי לשמור על מתח קבוע‏ אמין כשמתח הסוללה יורד במהלך הפריקה.

ישנן שתי קטגוריות עיקריות של ממירי DC/DC מסחריים לייצוב מתח: ‏מייצב ירידת-מתח-קטנה (LDO) ליניארי ומייצב ממותג. מייצבי LDO הם פשוטים יותר אך נוטים להיות פחות נצילים ויכולים רק להוריד (buck) את מתח הסוללה. עם זאת, מייצב LDO הופך לנציל יותר ככל שהפרש המתח בין הכניסה ליציאה קטן יותר (נצילות היא פרופורציונלית ל-V_OUT/V_IN). גודל קומפקטי, מחיר נמוך יותר, והעדר רעש‏ מתח אדווה שהוא אינהרנטי למייצבים ממותגים, הם יתרונות אחרים של מייצבי LDO.

מייצבים ממותגים בדרך כלל מציעים נצילות גבוהה יותר; סוגים מסוימים יכולים להעלות (boost) או להוריד (buck) את מתח הסוללה. החסרונות של‏ מייצבים ממותגים הם מורכבות תכנון, פוטנציאל להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏), עלות, וחתימת שטח לוח מעגל מודפס‏ (לוח pc) גדולה יותר.

(ראה "בחירת המייצב הנכון עבור היישום שלך", "הבנת היתרונות והחסרונות של מייצבים לינאריים".)

דוגמה אחת של מייצב ממותג מוריד מתח (buck) בעל נצילות גבוהה ביותר עבור יישומים רפואיים היא‏ +MAX38640AENT של Analog Devices. התקן זה עובד מכניסה של 1.8 עד 5.5 וולט ומספק יציאה בין 0.7 ו-3.3 וולט. המייצב תומך בזרמי עומס של 175, 350 או ‎700 mA‏ עם נצילויות שיא של‏ 96%. הוא גם מציע נצילות של 88% בזרמי עומס נמוכים עד כדי ‏10 מיקרו-אמפר (µA‏) (איור 2‏). השבב‏ מסופק במארז‏ קומפקטי ברמת פרוסת-סיליקון (WLP) 1.42‏ x‏ 0.89 מילימטר (mm),‏ 6-פינים, ומארז µDFN‏ 2‏ x‏ 2‏ מ"מ, 6-פינים.

איור 2: ה-MAX38640 מדגים נצילות טובה בתחום רחב של זרמי עומס, מסייע בהארכת חיי הסוללה במערכות רפואיות. (מקור תמונה: Analog Devices)

דוגמה ליישום רפואי של סוללה

פד חזה של אלקטרוקרדיוגרמה (ECG‏) עם‏ זמן עבודה רצוי של‏ חמישה ימים הוא דוגמת יישום טובה. הפד הוא חד-פעמי, עם סוללה‏ בלתי-ניתנת להחלפה. הוא כולל קישוריות Bluetooth Low-Energy‏ (LE) לשידור אלחוטי של נתוני ה-ECG.

הפד מבוסס על ECG קצה-קדמי אנלוגי (AFE) ‏MAX30001‏ ויחידת מיקרו-בקר (MCU)‏ MAX32655. הוא כולל גם חיישן טמפרטורה MAX30208 ומד-תאוצה‏ ADXL367B‏.

מכיוון שהיישום הוא פד חד-פעמי, הסוללה חייבת להיות זולה, אטומה לחלוטין, קטנה וקלת משקל. דרישות אלו עושות את גורם הצורה תא כפתור לבחירה טובה.

תקשורת ה-Bluetooth LE‏ של מערכת הקצה ואופני העבודה השונים של‏ ה-MAX32655 MCU דורשים זרמים גבוהים, עושים את ה-LMO וה-Ag₂O לכימיקלים מתאימים. לסוללת תחמוצת ליתיום מנגן (LMO) יש מתח יציאה נומינלי של 3.0 וולט ואנרגיה סגולית כפולה משל סוללת ה-Ag₂O. ניתן לספק סוללת LMO בגורם צורה נוח של תא כפתור CR2032‏ עם קיבולת של עד 235 מילי-אמפר שעות‏ (mAh‏). לסוללת תחמוצת כסף Ag₂O יש מתח יציאה נומינלי של 1.55 וולט, וגורם הצורה תא כפתור הגדול ביותר הקיים הוא סוללת ה-SR44W עם קיבולת של ‎200 mAh.

פרופיל העומס של פד החזה ECG‏ מוערך בסביבות 45‎ mAh ליום: 45 x‏ 5 ימים = ‎225 mAh. זה נמצא בתחום היכולת של סוללת ה-‎235 mAh LMO אך מחוץ ליכולת של תא ה-200‎ mAh Ag₂O.‏ לכן, סוללת ה-LMO היא הבחירה הטובה ביותר ליישום רפואי זה.

תכנון מעגל ייצוב המתח

עבור ייצוב המתח, המתכנן יכול להשתמש ביציאה הנומינלית של 3‏ וולט‏ מסוללת ה-LMO ככניסה עבור שלושה מייצבים ממותגים MAX38640 buck.

שניים ממייצבים אלה יכולים לספק את הכניסה האנלוגית והכניסה הדיגיטלית של ה-MAX30001. שתי הכניסות דורשות‏ אספקה בין 1.1‏ ל-2‏ וולט ודורשות זרם‏ בתחום היכולת של המייצב.

מייצב MAX38640 נוסף מספק את ה-MCU, חיישן הטמפרטורה ומד התאוצה. ה-MCU דורש כניסת מתח‏ מינימלי של‏ 2‏ וולט, לחיישן הטמפרטורה יש דרישה‏ מינימלית של‏ 1.7 וולט ולמד-התאוצה יש דרישה‏ מינימלית של‏ 1.1‏ וולט. משיכת הזרם של‏ כל שלושת ההתקנים נמצאת‏ היטב בתחום היכולת של המייצב. איור 3‏ מראה‏ שרטוט של תכנון ספק-הכוח המאריך את אורך חיי הסוללה לחמישה ימים.

איור 3: בתכנון ספק-הכוח עבור פד‏ ECG‏ עם‏ MCU, חיישן טמפרטורה ומד-תאוצה, שלושה מייצבי מיתוג buck נצילים מאריכים חיי סוללה לחמישה ימים. (מקור תמונה: Analog Devices)

סיכום

מספר גורמים משפיעים על בחירת הסוללה עבור התקנים רפואיים. כדי למקסם אורך חיי סוללה ולהבטיח שמעגלים-משולבים רגישים מקבלים אספקת מתח יציבה ונקייה מרעש, יציאת הסוללה חייבת להיות מיוצבת על ידי מייצבי LDO או ממירים ממותגים. קיימים מודולים מסחריים רבים עבור כל קטגוריה, והבחירה היא בעיקר פשרה בין נצילות, עלות ומורכבות תכנון.