如何為保健醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)選擇合適的電池

簡介

選擇合適的原電池可能需要在多個(gè)相互沖突的要求之間進(jìn)行權(quán)衡。您希望電池容量足夠大，能夠在較長時(shí)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(jì)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(jìn)垃圾填埋場，一直堆放在那里很多年。為了幫助設(shè)計(jì)人員正確選型，我們將重點(diǎn)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(jì)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(xiǎn)物質(zhì)。原電池也含有危險(xiǎn)物質(zhì)，但濃度要低得多。在比較這兩種類型的電池時(shí)，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(xiǎn)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(rèn)為更加環(huán)保。1

醫(yī)療應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

醫(yī)療應(yīng)用電池必須滿足嚴(yán)格的安全和性能標(biāo)準(zhǔn)。針對醫(yī)療電氣設(shè)備的ANSI/AAMI ES 60601-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電池必須符合的幾項(xiàng)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，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(rèn)證的工廠生產(chǎn)，并且每塊電池必須可溯源以便進(jìn)行故障分析。除了正確選擇電池化學(xué)組成，還必須仔細(xì)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(gè)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(gè)（而非兩個(gè)）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(shí)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(fù)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(yáng)聲器的玩具）可能需要使用1號電池(D cell battery)，其中的時(shí)鐘可由紐扣電池供電。一般認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)與鋰離子電池不同。

堿性電池通常不用于醫(yī)療設(shè)備，因?yàn)榕c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(jì)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(biāo)稱輸出電壓為3 V，內(nèi)阻較低。非常適合需要不同負(fù)載曲線和占空比的數(shù)字應(yīng)用。LiFeS2電池的標(biāo)稱輸出電壓為1.5 V，內(nèi)阻與LiMnO2電池類似。LiFeS2電池通?？梢灾苯尤〈鷫A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(jìn)行特殊處理和施加運(yùn)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(biāo)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(shí)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(yùn)行時(shí)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(xiǎn)，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(dú)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(gè)開口，可讓空氣進(jìn)入。在電池使用之前，開口是密封的，這樣可防止空氣進(jìn)入電池。一旦密封破損，氧氣就會從陰極進(jìn)入，電子開始從鋅陽極流過電解膏，到達(dá)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(jì)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(gè)預(yù)期運(yùn)行時(shí)間為5天的ECG胸貼。這個(gè)可穿戴貼片設(shè)計(jì)為一次性、完全密封（無法更換電池）、防水，并具有藍(lán)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(gè)MAX30208溫度傳感器（用于記錄患者體溫）和一個(gè)ADXL367加速度計(jì)（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。可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)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?yàn)榧~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(lán)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(biāo)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(biāo)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(jì)要求，貼片需要運(yùn)行5天時(shí)間。通過構(gòu)建負(fù)載曲線（在上一篇文章中進(jìn)行了更深入的討論6），我們發(fā)現(xiàn)該貼片每天預(yù)計(jì)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(shí)需要認(rèn)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(diǎn)，可以合理選擇適合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的電池。

參考文獻(xiàn)：

1 Giovanni Dolci、Camilla Tua、Mario Grosso 和 Lucia Rigamonti?！澳芎漠a(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。“工業(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。”ADI公司，2019年。

4 David C Bock、Amy Marschilok、Kenneth J. Takeuchi、Esther S. Takeuchi。“用于為植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備供電的電池?！薄峨娀瘜W(xué)學(xué)報(bào)》，2012年第84卷。

5 J. M. Schierholz、L. J. Lucas、A. Rump 和 G. Pulverer。“鍍銀醫(yī)療器械的功效。”《醫(yī)院感染雜志》，1998年第40卷。

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

關(guān)于作者

Fahad Masood是ADI公司負(fù)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(jì)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(yàn)。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。