如何為保健醫(yī)療設(shè)備設(shè)計選擇合適的電池

簡介

選擇合適的原電池可能需要在多個相互沖突的要求之間進行權(quán)衡。您希望電池容量足夠大，能夠在較長時間內(nèi)為設(shè)備持續(xù)供電，并且輸出電壓范圍符合集成電路供電需求。通常，您會希望電池尺寸越小越好，以盡量縮小產(chǎn)品的整體尺寸。此外，還需要考慮成本、供貨情況和保質(zhì)期。作為工程師的職責(zé)，我們還必須考慮設(shè)計決策對環(huán)境的影響。我們?yōu)楫a(chǎn)品選擇的電池最終可能會被丟進垃圾填埋場，一直堆放在那里很多年。為了幫助設(shè)計人員正確選型，我們將重點關(guān)注常用的堿性電池、鋰金屬電池、氧化銀電池和鋅空氣電池的化學(xué)組成，并評估它們在一次性心電圖(ECG)胸貼設(shè)計中的使用情況。

原電池與二次電池

原電池和二次電池之間的主要區(qū)別在于原電池不可充電，而二次電池可以充電。原電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是不可逆的。一旦陽極氧化，電池就無法再產(chǎn)生電能。而在可充電電池中，陽極可以被脫氧。因此，電池可以充電并重復(fù)使用。二次電池通常比一次電池昂貴，一般不會用于一次性系統(tǒng)。原電池由于自放電電流較低而具有較長的保質(zhì)期，但是可充電的二次電池可以提供更多電量，尤其是在大電流應(yīng)用中。

不同類型電池對環(huán)境造成影響的問題比較復(fù)雜。一方面，二次電池可重復(fù)使用，不需要經(jīng)常更換，這意味著產(chǎn)生的廢物更少。另一方面，二次電池含有可能對環(huán)境有害的危險物質(zhì)。原電池也含有危險物質(zhì)，但濃度要低得多。在比較這兩種類型的電池時，單就一塊電池而言，二次電池比原電池排放的溫室氣體多，產(chǎn)生的危險廢物多。然而，經(jīng)過20次充電循環(huán)后，二次電池產(chǎn)生的廢物比一次性原電池少90%，因此被認為更加環(huán)保。1

醫(yī)療應(yīng)用標準

醫(yī)療應(yīng)用電池必須滿足嚴格的安全和性能標準。針對醫(yī)療電氣設(shè)備的ANSI/AAMI ES 60601-1標準規(guī)定了電池必須符合的幾項監(jiān)管標準，包括針對原電池的IEC 60086-4和IEC 60086-5，以及針對家用和商用電池的UL2054。此外，還有針對不同應(yīng)用的特定標準，例如針對電動牙刷的ISO 20127。2

FDA對鋰電池也有具體要求，包括必須在經(jīng)過UL認證的工廠生產(chǎn)，并且每塊電池必須可溯源以便進行故障分析。除了正確選擇電池化學(xué)組成，還必須仔細審查電池制造商，以確保其符合FDA和IEC的相關(guān)應(yīng)用法規(guī)要求。2

電壓范圍

原電池通常提供兩種電壓范圍：1.5 V和3.3 V。應(yīng)選用哪個電壓范圍取決于具體應(yīng)用。降壓轉(zhuǎn)換器通常比升壓轉(zhuǎn)換器更高效。3電池調(diào)節(jié)器一般采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，以盡可能提高電池的電壓范圍。然而，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器通常有四個（而非兩個）開關(guān)，所以比降壓轉(zhuǎn)換器更大，并且需要更多的外部組件。

表1 原電芯比較

圖1 原電池的化學(xué)組成

堿性

堿性電池具有較明顯的優(yōu)勢，例如適合為電視遙控器或時鐘等模擬電路供電，是最常用的一種原電池。與其他電池化學(xué)組成相比，這些電池具有較高的內(nèi)阻，內(nèi)阻會隨著電池放電而增加。由于這一特性，堿性電池通常不適合那些需要更高負載或具有不同占空比和工作模式的數(shù)字電路。隨著電池物理尺寸減小，堿性電池的內(nèi)阻也會增大。因此，較高電流應(yīng)用（例如帶有大量LED和揚聲器的玩具）可能需要使用1號電池(D cell battery)，其中的時鐘可由紐扣電池供電。一般認為堿性電池的使用和儲存都比較安全，幾乎不用擔(dān)心爆炸或泄漏問題，堿性電池的監(jiān)管標準與鋰離子電池不同。

堿性電池通常不用于醫(yī)療設(shè)備，因為與其他電池化學(xué)組成相比，堿性電池的功率輸出有限且使用壽命短。在醫(yī)療應(yīng)用中，堿性電池可用于低成本血糖儀、溫度計和其他不常用、非關(guān)鍵功能的設(shè)備中。

圖2 鋰離子原電池：鋰-二氧化錳（Li-M或LiMnO₂）和二硫化鋰(Li-FeS₂)

市場上有幾種鋰基原電池，它們都將鋰用作陽極材料，將金屬用作陰極。這些電池通常稱為鋰金屬電池。使用最廣泛的兩種鋰金屬原電池是二氧化鋰錳(LiMnO2)和二硫化鋰(LiFeS2)。

LiMnO2電池的標稱輸出電壓為3 V，內(nèi)阻較低。非常適合需要不同負載曲線和占空比的數(shù)字應(yīng)用。LiFeS2電池的標稱輸出電壓為1.5 V，內(nèi)阻與LiMnO2電池類似。LiFeS2電池通常可以直接取代堿性電池，用于需要1.5 V電壓的設(shè)備。

鋰金屬電池容易泄漏和爆炸，因此需要進行特殊處理和施加運輸限制。然而，與堿性電池相比，鋰金屬電池具有許多優(yōu)勢：在相似外形尺寸下，容量是堿性電池的兩倍、使用壽命更長、重量更輕。

因此，在許多應(yīng)用中，鋰金屬電池正逐步取代堿性電池。鋰金屬電池還用于關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備（如連續(xù)血糖監(jiān)測儀、輸液泵和除顫器等植入設(shè)備）。⁴

氧化銀電池

另一種常見的原電池是氧化銀(Ag-O)電池，它將銀用作陰極，將鋅用作陽極。氧化銀電池具有與堿性電池相似的標稱輸出電壓（即1.55 V），但容量更高，放電曲線更平坦，因而適合數(shù)字應(yīng)用。由于陰極中存在銀，大尺寸氧化銀電池會非常昂貴，因此氧化銀電池主要用于紐扣電池或扣式電池。

圖3 氧化銀電池通常用作手表電池

以往的實際應(yīng)用表明，氧化銀電池容易泄漏，因此會在電池中添加汞來抵消腐蝕。近年來，電池制造商找到了其他方法，在不使用汞的情況下也能盡量減少腐蝕，從而使氧化銀電池對環(huán)境更具可持續(xù)性。與鋰電池相比，氧化銀電池通常更安全、運行時間更長，兩種電池的放電曲線相似，但由于氧化銀電池采用銀陰極，導(dǎo)致其成本更高，因此限制了其在低成本場景中的應(yīng)用。由于銀涂層可以降低植入式設(shè)備引起感染的風(fēng)險，因此Ag-O電池化學(xué)材料越來越多地用于植入式設(shè)備。⁵

鋅空氣電池

與以前的電池化學(xué)組成相比，鋅空氣電池具有獨特的電池化學(xué)組成。鋅空氣電池采用鋅陽極，周圍空氣是陰極，中間有電解膏。該電池采用典型的紐扣電池形狀，外殼上有一個開口，可讓空氣進入。在電池使用之前，開口是密封的，這樣可防止空氣進入電池。一旦密封破損，氧氣就會從陰極進入，電子開始從鋅陽極流過電解膏，到達陰極。由于鋅空氣電池的陰極不是金屬（其他電池的化學(xué)組成），因此鋅空氣電池重量輕且經(jīng)濟高效。它們還能保持電荷并具有相對平坦的放電率。鋅空氣電池的輸出電壓范圍為0.9 V至1.4 V。

圖4 助聽器通常由鋅空氣電池供電

由于鋅空氣電池必須暴露在環(huán)境中才能工作，因此其在醫(yī)療設(shè)備中的使用受到限制。許多醫(yī)療設(shè)備要求在一定程度上與環(huán)境隔離，而鋅空氣電池不允許這樣做。由于這些電池構(gòu)造輕巧且使用壽命長，因此主要用于助聽器電池。

應(yīng)用示例

上面我們概述了目前常見的電池化學(xué)組成及其可提供的功能，現(xiàn)在我們通過應(yīng)用示例逐一介紹。在本例中，我們考慮一個預(yù)期運行時間為5天的ECG胸貼。這個可穿戴貼片設(shè)計為一次性、完全密封（無法更換電池）、防水，并具有藍牙^?通信功能，可通過無線方式傳輸ECG數(shù)據(jù)。該貼片還將包括一個MAX30208溫度傳感器（用于記錄患者體溫）和一個ADXL367加速度計（用于監(jiān)測患者活動信息）。它可以在醫(yī)院環(huán)境、門診診所和患者家中使用。在本應(yīng)用中，我們將MAX30001用作ECG模擬前端(AFE)，將MAX32655用作微控制器單元(MCU)。將根據(jù)電池來選擇電源管理方案。

圖5 ECG貼片示例方框圖

根據(jù)這些要求，我們可以決定應(yīng)使用哪種電池?？纱┐鳟a(chǎn)品設(shè)計緊湊，這意味著電池的外形尺寸應(yīng)當(dāng)小巧輕便，因此應(yīng)使用紐扣電池。首先可以排除二硫化鋰電池，因為紐扣電池不會采用這種類型。由于貼片是一次性的，所以不能使用二次電池或可充電電池。此外電池是完全密封的，因此無法選用鋅空氣電池。還要支持藍牙通信，而且MAX32655具有不同的工作模式，根據(jù)這些要求，堿性電池由于內(nèi)阻高，顯然無法支持此應(yīng)用。我們只能選擇鋰錳和氧化銀原電池化學(xué)組成。

鋰錳電池的標稱輸出電壓為3.0V，比氧化銀電池具有更高的比能量。我們可以輕松地用容量為235 mAh的（氧化銀）CR2032電池供電。氧化銀電池的標稱輸出電壓為1.55 V，我們能找到的、現(xiàn)有最大的紐扣電池是容量為200 mAh的SR44W電池。我們再來看一下設(shè)計要求，貼片需要運行5天時間。通過構(gòu)建負載曲線（在上一篇文章中進行了更深入的討論6），我們發(fā)現(xiàn)該貼片每天預(yù)計消耗45 mA的電流，或者在5天內(nèi)消耗225 mA的電流。對更高容量電池的要求削弱了氧化銀紐扣電池的競爭優(yōu)勢，因此針對此應(yīng)用我們將選擇鋰錳電池。

結(jié)論

針對具體應(yīng)用選擇電池時需要認真考慮外形尺寸、適配性和功能。通過了解每種電池化學(xué)組成的優(yōu)缺點，可以合理選擇適合系統(tǒng)設(shè)計要求的電池。

參考文獻：

1 Giovanni Dolci、Camilla Tua、Mario Grosso 和 Lucia Rigamonti。“能耗產(chǎn)品的生命周期評估：家用一次性電池和可充電電池的比較?！薄秶H生命周期評估雜志》，2016年第21卷。

2 Jeff Shepard?！肮I(yè)鋰電池和醫(yī)用鋰電池有何不同？”電池電源提示，2023年。

3“使用SIMO延長智能手表的使用壽命?！盇DI公司，2019年。

4 David C Bock、Amy Marschilok、Kenneth J. Takeuchi、Esther S. Takeuchi?！坝糜跒橹踩胧缴镝t(yī)學(xué)設(shè)備供電的電池?！薄峨娀瘜W(xué)學(xué)報》，2012年第84卷。

5 J. M. Schierholz、L. J. Lucas、A. Rump 和 G. Pulverer?！板冦y醫(yī)療器械的功效?！薄夺t(yī)院感染雜志》，1998年第40卷。

6 Fahad Masood?！坝稍姵毓╇姷倪h程患者監(jiān)護儀的電源設(shè)計要素?！盇DI公司，2022年4月。

關(guān)于作者

Fahad Masood是ADI公司負責(zé)健康和醫(yī)療生物傳感應(yīng)用的高級應(yīng)用工程師。他在醫(yī)療保健、計算和工業(yè)應(yīng)用的電子產(chǎn)品開發(fā)方面擁有近十年的經(jīng)驗。Fahad獲得了羅徹斯特理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)學(xué)士學(xué)位。