ADI健康和醫療生物傳感應用技術人員Fahad Masood

物聯網(IoT)革命，使醫療機構實時護理患者的方式發生了范式轉變。其中，遠程患者監測，是當前新型醫療設備改變醫患互動方式的重要領域。隨著集成電路微觀化、無線技術演進，傳統醫療設備舊貌換新顏，功能獲得增強，患者的依從性和療效逐步提高。

來自電源的挑戰

(資料圖片)

目前，遠程患者監測貼片取代了傳統笨重的Holter設備，貼片中包含的各種傳感器，能夠收集心率、溫度和加速計數據，可將患者數據傳輸到云端，利于患者和醫生實時訪問。雖然這些貼片有助于醫生提升護理能力，卻給電源設計人員帶來挑戰，他們必須平衡兼顧系統性能與電池壽命要求。隨著第二代貼片采用多模態傳感來提高精度和有效性，挑戰進一步凸顯，更對電源提出嚴苛指標。

圖1.ECG貼片電源原理圖。用一個235 mAh的CR2032紐扣鋰電池為穩壓器、微控制器、ECG前端、溫度傳感器和加速度計供電。

以ECG RPM貼片(如圖1)為例，該貼片可連續監測ECG和加速計，同時每15分鐘檢查一次溫度。數據通過低能耗藍牙^?(BLE)每2小時傳輸一次，每天總共進行12次BLE傳輸。貼片支持三種不同的負載模式：標準監測、溫度監測和傳輸模式。在標準監測模式下，僅監控ECG和加速計。在溫度監測模式下，還要監測另一個溫度傳感器。在傳輸模式下，BLE無線電同時監測ECG和加速計數據，并同步傳輸數據。

設計RPM，比如ECG貼片，對電源設計人員來說，挑戰會來自多個層面。設計通常受到空間方面的限制，帶有多個傳感器的貼片可能需要多個電源導軌。由于RPM貼片通常是一次性使用產品，因此設計人員一般會選擇紐扣電池這種經濟高效的電源。如果僅使用紐扣電池為貼片供電，設計人員還必須考慮電源子系統的效率。

另外，電源設計人員經常會忽視一個挑戰，是如何延長產品的保質期。由于，關斷電流和電池自放電會縮短任何系統的壽命。因此，設計人員必須明確RPM貼片在保質期之后能否滿足運行時間要求，如果不能，在貼片到達最終用戶手中之前，可以采取哪些措施來保持電池壽命。

洞悉電池運行時間

為了準確掌握電源解決方案是否符合電池壽命要求，必須確定負載曲線。負載曲線是系統負載占空比的簡單表示。對于遠程患者監測貼片來說，可從標準監測、溫度監測和傳輸模式三種不同的工作模式入手。

在標準監測模式下，圖1所示貼片的電流消耗（包括每個降壓變換器的330 nA靜態電流和MCU的電流消耗）為1.88 mA。在溫度監測模式下，電流消耗為1.95 mA，每15分鐘持續200毫秒。在傳輸模式下，當貼片通過BLE傳輸數據時，電流消耗為7.90 mA，每2小時持續30秒。這些數值可以在相應的設備數據表中查看有源和靜態電流規格部分找到。

要進行負載曲線分析，需使用一天中每種工作模式的時間段來確定占空比計算值。使用公式1：

可以得出貼片的占空比，如表1所示。

表1.貼片在不同工作模式下的占空比

溫度測量百分比（%/天）

0.02%

BLE通信百分比（%/天）

0.42%

ECG監測持續時間（%/天）

99.56%

圖2.負載曲線圖。

利用圖2中的負載曲線，可以計算出貼片的電流消耗。取每種工作模式下的有效電流消耗，通過公式2可以計算出每天的平均電流消耗近似值。

下面是一個計算示例：

標準監測模式每天的電流 = 標準監測模式電流×標準監測模式占空比×24小時

標準監測模式電流 = 1.88 mA標準監測模式占空比 = 0.9956

標準監測模式每天的電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小時 = 44.92 mAh/天

一旦確定每種工作模式的每日電流消耗，就可以通過公式3確定電池的使用壽命。

下面是另一個計算示例：

電池容量 = 235 mAh

標準監測模式每天的電流 = 44.92 mAh/天

溫度監測模式每天的電流 = 0.01 mAh/天 傳輸模式每天的電流 = 0.79 mAh/天

電池壽命（天）= 235 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.14天

這些計算結果表明，該器件將滿足5天的工作時間要求，電池壽命超過5.1天。然而，這個結果具有欺騙性，因為沒有考慮系統的保質期。在醫療器械行業，最好是設計14個月的保質期（貨架期12個月，運輸期兩個月）。

必須考量的保質期因素

將系統中設備的關斷電流相加，同時使用CR2032電池每年1%到2%的典型自放電率，可以看出，14個月后，電池的容量不足以支持5天的工作時間，需要進行電池密封。

表2.14個月后的電池容量

2%電池容量泄漏(mAh)

230.30

待機電流消耗(mA)

0.0082

保質期（小時）

28085.37

保質期（天）

1170.22

保質期（年）

3.21

14個月后的容量(mAh)

146.66

14個月后剩余容量百分比

63.68

在貨架上放置14個月后，電池容量將顯著減少。當CR2032閑置在貨架上時，近40%的能量將通過關斷電流和電池自泄漏消耗掉。將這個電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時間：

電池壽命（天）= 146.66 mAh/（標準監測模式+溫度監測模式+傳輸模式）

電池壽命（天）= 146.66 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 3.21天

上架時間超過一年，電池容量會受到電池自放電和系統關斷電流的影響。電池自放電與電池的化學性質和環境有關。CR2032電池的化學成分是鋰錳，每年的自放電率為1%至2%。一年后，紐扣電池在休眠狀態下可能會損失2%的容量。對比之下，BR2032電池的化學成分是鋰-氟化碳聚合物，每年的自放電率為0.3%。我們通常會認為，最適合應用的電池化學成分是放電率最低的，但事實并非如此。雖然BR2032電池的放電率較低，但其容量也比200 mAh的CR2032電池低。使用前面的公式重新計算，可以確定這樣的低容量電池的電量是否足夠。

在這個ECG貼片中，當系統斷電時，IC關斷電流是減少電池壽命的最大因素。當IC被禁用且無有效負載時，會產生關斷電流。這些電流通常是由于IC中漏電和IC內的ESD保護裝置造成的，即使在沒有負載的情況下也會消耗少量的電流。這些電流通常很小（低于1μA），但對電池壽命卻有很大的影響。在這個RPM貼片中，關斷電流在一年內可使電池容量減少多達40%。使用電池密封可限制系統在關斷時從電池中吸取過多的電流。

電池密封通常采用兩種方式：聚酯薄膜拉片形式的機械電池密封，以及負載開關形式的電氣電池密封。聚酯薄膜/塑料拉片是一種機械電池密封，其中塑料拉片位于電池和系統之間。當準備使用設備時，用戶只需拔出塑料片，電池就開始為系統供電。這是一種簡單、低成本、成熟的電池機械密封，已經使用了很多年。然而，對于醫療設備來說，這種解決方案并不是始終可行的。對于需要防水的ECG貼片來說，聚酯薄膜突出的槽會使貼片容易被水損壞。此外，對于不夠靈巧的終端用戶來說，這種小的塑料薄片可能不太好用。

簡單的負載開關，如Vishay SiP32341，是電氣電池密封的一個不錯選擇。該器件是一個場效應晶體管，開啟時，可將電池與系統的其它部分隔開，使SiP32341的關斷電流成為電池上唯一的消耗電流。負載開關有一條邏輯控制線，當準備使用設備時，可以通過按鈕接通。SiP32341的關斷電流一般為14 pA，與沒有電池密封時整個系統的電流消耗相比，采用電池密封有顯著改善。如果使用SiP32341作為電池密封件，CR2032原電池在14個月內可保持99.97%的容量。如果不用電池密封件來保護電池免受ECG貼片關斷電流的影響，那么CR2032原電池只能保持62.39%的原始電量。一旦消除這37%的容量差異，可以使ECG貼片在14個月的保質期以后仍能滿足5天的壽命要求。

表3.使用電池密封件14個月后的電池容量

2%電池容量泄漏(mAh)

230.30

待機電流消耗(mA)

0.000005

保質期（小時）

46060000.00

保質期（天）

1919166.67

保質期（年）

5257.99

14個月后的容量(mAh)

230.25

14個月后剩余容量百分比

99.98

電池密封件通過防止系統中的所有設備消耗電池關斷電流，從而保持電池容量。在RPM貼片閑置14個月后，剩余電池容量還保持在99.9%以上。

將這個電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時間：

電池壽命（天）= 230.25 mAh/（標準監測模式+溫度監測模式+傳輸模式）

電池壽命（天）= 230.25 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.04天

結論

在ADI看來，為了設計出能滿足醫療設備所有要求的電源，在系統處于活動狀態和關機/低功耗模式時進行電池分析至關重要。通過BLE通信收集心率、溫度和加速度數據的ECG貼片案例不難發現，基于ADI公司的分析和原理，可以應用于由原電池供電的任何數量的醫療設備系統上，供更多設備廠商參考。

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作者簡介

Fahad Masood是ADI公司健康和醫療生物傳感應用技術人員。他在醫療保健、計算和工業應用的電子產品開發方面擁有近十年的經驗。Fahad獲得了羅徹斯特理工學院生物醫學電子學學士學位。聯系方式：fahad.masood@analog.com.

關鍵詞： 電池容量 電流消耗 溫度監測 設計人員 傳輸模式