Ecco come una gestione efficiente dell'energia della batteria nei dispositivi medici indossabili sia di fondamentale importanza a causa dell'aumento delle funzionalità che richiedono energia per rendere questi dispositivi più intelligenti. Ecco i consigli di Texas Instruments.
Il mercato dei dispositivi medici indossabili sta rapidamente espandendosi. Non solo un numero crescente di dispositivi riceve l'approvazione degli standard governativi per diagnosticare malattie e monitorare biomarcatori vitali, ma anche un numero maggiore di utenti è interessato a dati personali per migliorare il proprio stile di vita. La capacità di monitorare le prestazioni metaboliche, lo stress e la qualità del sonno sono caratteristiche particolarmente popolari tra i consumatori.
I produttori di dispositivi medici indossabili cercano di ottenere dimensioni più ridotte, peso inferiore, tempi di funzionamento più lunghi e set di funzionalità più intelligenti. Spesso, però, queste caratteristiche superano i progressi delle batterie; quindi, i progettisti devono trovare modi innovativi per utilizzare le batterie in modo più efficiente e aumentare così la funzionalità complessiva.
Indipendentemente dalla topologia di potenza, le sfide sono costanti: i dispositivi medici indossabili richiedono:
- Bassa corrente quiescente (Iq) e funzionalità di spegnimento per aumentare la loro durata.
- Alta efficienza per estendere la loro vita in modalità attiva.
- La capacità di tollerare e gestire carichi transitori rapidi tipici delle trasmissioni radio.
Microcontrollori a bassa potenza (MCU), elaborazione AI edge e circuiti integrati analogici sono disponibili, ma non è sempre possibile sfruttare queste tecnologie in un design senza ottimizzare la gestione dell'energia. È fondamentale scegliere l'architettura di potenza giusta per l'applicazione per aumentare l'efficienza e prolungare i tempi di funzionamento della batteria.
In questo articolo, evidenzieremo diversi schemi di potenza e nuove tecnologie in interruttori di carico, convertitori DC-DC e caricabatterie che possono massimizzare la durata della batteria nei dispositivi medici indossabili usa e getta e riutilizzabili sia in modalità shelf/ship che in modalità attiva.
Tipi di batterie utilizzate nei dispositivi medici indossabili
Dispositivi come monitor della frequenza cardiaca, patch multiparametriche, monitor della glicemia, monitor della pressione sanguigna, pulsossimetri, monitor dell'attività fisica e patch per la somministrazione di farmaci possono essere portatili e indossabili. Molti di questi dispositivi sono usa e getta o utilizzano batterie che necessitano di sostituzione. Inoltre, i dispositivi medici indossabili attuali possono connettersi a un numero crescente di dispositivi intelligenti e supportare più protocolli, risultando in un maggiore consumo energetico.
Le batterie al litio-manganese-diossido (LiMnO2), alcaline e agli ioni di litio (Li-ion) sono state fondamentali nei dispositivi indossabili grazie alla loro alta densità energetica, durata e ricaricabilità. Tuttavia, recenti progressi nelle nuove chimiche stanno ora abilitando nuove possibilità e implementazioni. Le batterie argento-zinco e zinco-aria consentono capacità più lunghe in modalità attiva, mentre l'argento-ossido aggiunge bassi tassi di autoscarica di circa il 10% all'anno o meno, portando a una maggiore durata.
Ci sono anche nuovi sviluppi nelle tecnologie delle batterie ricaricabili. Le batterie Li-polimero (LiPo) consentono design flessibili che possono essere modellati per piccoli dispositivi indossabili. E le batterie a stato solido stanno diventando abbastanza accessibili da essere implementate nei dispositivi indossabili, offrendo alte densità energetiche e fattori di forma flessibili senza preoccupazioni per la sicurezza. Le batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) rimangono popolari per un uso continuo e lunghe durate a un costo inferiore. Sono disponibili anche NiMH a bassa autoscarica.
Una tendenza con le chimiche delle batterie ad alta densità energetica è quella di abbassare le tensioni delle celle (Tab. 1), il che richiede soluzioni energetiche che operano a maggior efficienza senza elevata tolleranza sotto carichi massimi. Sfortunatamente, le alte correnti picco, provenienti da funzioni come la trasmissione dati RF o l'accensione di un motore, potrebbero far scendere la tensione della batteria abbastanza da attivare un brownout per circuiti integrati critici.
I progettisti devono selezionare attentamente la chimica della batteria basandosi su diversi requisiti a livello di sistema, rispettando anche gli standard di sicurezza e normativi. Un esempio di compromesso è ottimizzare le batterie con diverse impedenze interne AC e DC per applicazioni con specifici profili di scarica alta o bassa bilanciando il tasso di autoscarica in base alla vita utile prevista del dispositivo indossabile. Per i dispositivi usa e getta, una bassa autoscarica è un requisito importante rispetto ai dispositivi ricaricabili.
Ottimizzazione delle transizioni tra modalità attiva e standby nei dispositivi medici indossabili
Durante la modalità attiva, i patch medici (elettrocardiogrammi, temperatura e glucosio) trascorrono di solito poco tempo per effettuare una misurazione, elaborare o pre-elaborare i dati da inviare a un terminale remoto e poi tornare a dormire. In questa situazione, le batterie vedono carichi che passano rapidamente da centinaia di nanoampere a poche decine di milliampere nei patch sensori o anche correnti più elevate per patch con motori e pompe.
Un tale scenario è mostrato nella Fig. 1, dove un carico passo nella forma d'onda inferiore causa grandi transitori di tensione nella linea principale mostrata nella forma d'onda superiore. La sfida principale è quando i sistemi che possono operare in modo efficiente su carichi diversi devono anche gestire transitori rapidi nell'ordine dei microsecondi.
Considera l'esempio nella Fig. 2, che illustra l'uso del MCU Bluetooth Low Energy (LE) CC2340R5 della Texas Instruments (TI) con una chimica della batteria a bassa tensione in un'applicazione indossabile. Poiché la tensione d'ingresso del dispositivo Bluetooth LE scende solo fino a 1.7 V, puoi utilizzare un convertitore boost (ad esempio il TPS61299 della TI).
Di solito, quando il dispositivo Bluetooth LE passa dalla modalità sleep a un evento di connessione, le correnti di carico aumentano molto rapidamente causando una grande caduta di tensione sulla linea principale. Questo è particolarmente vero quando si utilizza una chimica della batteria con alta resistenza serie equivalente e induttanza serie equivalente. Per sostenere queste cadute senza far andare parti del circuito in brownout, dispositivi come il TPS61299 incorporano un ciclo di controllo per la rilevazione veloce che può stabilizzare la tensione d'alimentazione e ridurre i tempi di assestamento fino a 8 µs per carichi tipici Bluetooth LE.
I supercondensatori
In applicazioni come pompe insuliniche e patch per somministrazione farmaci, i transitori da parte delle pompe dosatrici potrebbero essere troppo elevati per i metodi tradizionali di compensazione. In questo scenario, grandi supercondensatori possono fornire rapidamente l'energia necessaria ai componenti ad alto assorbimento. Il TPS61094 della TI è un convertitore buck-boost con 60 nA IQ dotato di gestione dei supercondensatori che passa senza soluzione di continuità tra alimentazione da batteria e supercondensatore.
Oltre a risolvere le sfide relative alla risposta ai transitori, è imperativo raggiungere alta efficienza su molteplici decadi dei carichi correnti. Il portafoglio dei regolatori DC-DC switching della TI ha diversi dispositivi progettati per affrontare sfide specifiche presenti nei dispositivi medici indossabili.
La modalità pass-through consente ai dispositivi buck, boost e buck-boost di collegare il carico direttamente alla batteria quando la tensione d'ingresso si avvicina all'uscita scelta per migliorare l'efficienza operativa. Man mano che la tensione diminuisce, i dispositivi entreranno in modalità attiva avendo diverse modalità operative. Lo switching intelligente tra modulazione a larghezza d'impulso (PWM), modalità a frequenza impulsiva (PFM) e modalità burst mentre il carico cambia da alto a basso aiuta l'efficienza complessiva del sistema a rimanere sopra l'85%, dai livelli microampere fino a centinaia di milliampere.
Oltre ad alternare automaticamente tra PWM e PFM, il convertitore buck TPS62840 della TI ha una modalità PWM al 100% che assorbe solo 120 nA IQ. Questo consente al sistema di continuare a funzionare con alta efficienza massima anche quando la batteria è quasi esaurita.
Un altro modo per risolvere il problema dei transitori è aumentare l'efficienza durante entrambe le modalità a bassa ed alta corrente. Il convertitore buck-boost TPS63900 della TI ha due tensioni programmabili diverse. Ad esempio, il dispositivo può aumentare fino a 3 V mentre il CC2340R5 sta per svegliarsi, consentendo così al radio di operare più efficientemente. Il convertitore può quindi scendere a 1.8 V in modalità standby quando solo pochi blocchi IC sono accesi.
Tabella 2 elenca i dispositivi menzionati in questa sezione insieme ai loro consumi unici in diverse modalità.
Come prolungare la vita della batteria attraverso modalità ship a bassa potenza e interruttori intelligenti
La maggior parte dei dispositivi medici indossabili non è attiva mentre è confezionata perché possono passare settimane o mesi prima che arrivino all'utente (o paziente). Una modalità dedicata a bassa potenza aiuta a preservare la durata della batteria mentre il prodotto viaggia dal produttore al consumatore.
In quella che è nota anche come "modalità ship", il dispositivo viene posto in uno stato ad alta impedenza e la perdita di corrente viene effettivamente soppressa. Solo pochi dispositivi estremamente low-Iq rimangono alimentati in modalità ship per rilevare quando il dispositivo inizierà ad essere utilizzato attivamente.
Inoltre, una modalità ship con correnti minime aiuta a massimizzare l'energia disponibile quando il prodotto entra infine in uso attivo. Questo diventa eccezionalmente importante se il dispositivo è progettato per funzionare con batterie usa e getta.
Considera un esempio di un patch wireless utilizzando una batteria argento-ossido da 1,5 V con capacità 150 mAh. Per durare un anno mentre è inattivo, un dispositivo medico indossabile potrebbe utilizzare un interruttore di carico per minimizzare il consumo energetico. Se i componenti del sistema del prodotto assorbono circa 1 µA quando disattivati, tale quantità consuma almeno 8.76 mAh (1 µA × 24 ore × 365 giorni) dal budget totale da 150 mAh.
In altre parole, le inefficienze del dispositivo potrebbero contribuire circa al 5,84% (8,76 mAh/150 mAh) alla perdita complessiva della batteria. Queste inefficienze possono originarsi da perdite come specifiche minime e massime su temperatura, perdite d'efficienza attraverso i componenti energetici e moduli radio che perdono corrente.
Dispositivi come interruttori di carico con correnti in standby fino ai nanoampere aiutano a risparmiare energia nel lungo periodo. Gli interruttori funzionano come interruttori controllati elettricamente capaci di ridurre significativamente la corrente dall'alimentazione quando un modulo non deve essere attivo.
Un interruttore come il TPS22916 (0,8 × 0,8 mm) può ridurre la corrente in standby fino a 10 nA, una quantità che avrà praticamente nessun effetto (0,058%) sulla durata della batteria mentre il sistema è disattivato.
Se ci sono più moduli alimentati individualmente in un singolo prodotto, è possibile avere più interruttori disattivare singoli carichi e moduli. Questo aumenta la capacità dell'architettura energetica di gestire strettamente il consumo energetico secondo necessità.
Altri dispositivi integrati low-Iq includono convertitori DC-DC con funzionalità di spegnimento come disconnessione vera che possono minimizzare le correnti parassite per prevenire perdite energetiche durante lo spegnimento. La maggior parte dei convertitori DC-DC può ora raggiungere correnti in standby inferiori a 60 nA facilitando così la selezione del dispositivo e riducendo i costi eliminando la necessità di un ulteriore IC interruttore.
Ottenere energia nelle batterie per dispositivi indossabili
La ricarica delle batterie per i dispositivi medici indossabili è un argomento impegnativo perché le batterie in questi prodotti devono essere piccole sia nelle dimensioni sia nella capacità. Le correnti ed i modelli di carica variano notevolmente a seconda della capacità della batteria e della chimica utilizzata. La possibilità di ricaricare senza fili introduce anche un livello maggiore di complessità.
Sebbene sia importante ricaricare rapidamente, è cruciale immettere quanta più energia possibile nella batteria. Ciò può essere realizzato mediante tecniche specifiche come basse correnti terminali ed attenta sorveglianza del livello della batteria. Massimizzare la carica ad ogni ciclo della batteria è realizzabile attraverso una selezione accurata dei dispositivi progettati per l'applicazione specifica.
Sebbene i dispositivi usa e getta siano quelli più comuni al momento, la comodità della riutilizzabilità è importante per i consumatori che preferiscono caricamenti rapidi con un caricabatterie wireless o cavi facilmente attaccabili. Considerazioni ambientali spingono anche verso una transizione verso più dispositivi ricaricabili grazie alla loro riutilizzabilità.
Un grande vantaggio dei dispositivi per la ricarica delle batterie è il loro alto livello d'integrazione. È possibile impiegare vari livelli d'integrazione energetica a seconda dello spazio disponibile nel design ed esigenze energetiche richieste. Le soluzioni per la gestione delle cariche delle batterie nei wearable come BQ25125 (2,5 × 2,5 mm) e BQ25155 (2 × 1,6 mm) possono fornire un'assorbimento efficiente dalla batteria integrando varie soluzioni energetiche in un piccolo chip.
Caratteristiche utili come modalità ship integrate e convertitori DC-DC low-Iq preservano ulteriormente la durata della batteria. Anche il monitoraggio delle batterie è molto preciso in questi dispositivi, il che può aiutare nel design sistemi più efficienti.
Ci sono molteplici modi per migliorare la vita utile delle batterie nei monitor pazienti portatili ed nei patch medici. La chiave per una lunga durata delle batterie è selezionare i dispositivi che operano con il minor consumo energetico possibile ed efficacemente ridurre l'attività del sistema quando non necessaria. L'architettura energetica gioca un ruolo significativo nel raggiungimento di una maggiore durata delle batterie.
