Seleção e otimização de baterias em dispositivos médicos

Selecionar a melhor bateria para um dispositivo médico portátil é tão importante quanto escolher o processador, o chip sem fio e a memória flash adequados. Uma má escolha da fonte de energia pode comprometer seriamente o desempenho de um produto bem projetado.

Como a tensão de qualquer tipo de bateria varia de acordo com parâmetros como carga elétrica, carga de consumo e temperatura, a regulagem é necessária para garantir uma tensão constante e confiável para o uso final.

Este artigo apresenta uma breve visão geral das químicas de baterias adequadas para dispositivos médicos. Em seguida, ele apresenta as opções de regulagem de tensão da Analog Devices e usa uma aplicação prática para mostrar como elas são aplicadas.

Compreensão das características da bateria

Os parâmetros a seguir influenciam a seleção da bateria para um produto médico:

• Necessidade de uma bateria primária ou secundária (recarregável)
• Tamanho da bateria, tensão, resistência interna, capacidade e energia específica
• Eletroquímica da bateria
• Regulamentos aplicáveis

As baterias primárias têm uma corrente de autodescarga menor do que as células secundárias. Isso as torna mais adequadas para sistemas com tempo prolongado entre os usos. A desvantagem é a necessidade de substituir e descartar a célula depois de descarregada.

As baterias secundárias são mais adequadas para aplicações com consumo de corrente relativamente alto. Em geral, elas são mais caras do que as células primárias, e a complexidade do sistema aumenta devido à necessidade de incorporar o circuito de carregamento.

As dimensões do sistema ajudam a determinar as limitações do tamanho físico da bateria, enquanto a vida útil desejada da bateria e o consumo médio de corrente do sistema ajudam a determinar a capacidade necessária. Uma energia específica maior (quilojoules por quilograma (kJ/kg)) permite uma bateria mais leve para um determinado armazenamento de energia.

A resistência interna da bateria dissipa energia. A eletroquímica, os materiais de construção do invólucro e as dimensões da bateria influenciam essa resistência. Além disso, as baterias compactas tendem a apresentar maior resistência interna do que as maiores. As baterias de lítio geralmente apresentam menor resistência interna do que as alcalinas, o que as torna adequadas para aplicações de alto consumo de corrente devido à dissipação da energia resultante. Durante a operação, a resistência interna de uma bateria varia de acordo com a taxa e a profundidade da descarga, a temperatura e a idade da bateria, entre outros fatores.

A tensão nominal de saída de uma bateria é determinada por sua eletroquímica. Por exemplo, uma pilha alcalina primária de níquel-zinco (NiZn) tem uma tensão nominal de 1,5 volts e uma energia específica de 720 kJ/kg (ou 200 watts-hora por quilograma (Wh/kg)). Uma bateria primária de óxido de manganês-lítio (LMO) tem uma tensão nominal de 3,0 volts e uma energia específica de 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

O zinco-ar e o óxido de prata (Ag₂O) são outros eletroquímicos comuns. As baterias de zinco-ar são compostas por um ânodo de zinco, um separador de pasta eletrolítica e um cátodo de ar ambiente. Esse tipo é normalmente fornecido em um fator de forma de célula tipo moeda. Por causa de seu cátodo não metálico, a bateria de zinco-ar é leve e relativamente barata. Ela apresenta uma curva de descarga relativamente plana e uma tensão de saída nominal de 1,4 volts.

As baterias de Ag₂O combinam um cátodo de prata e um ânodo de zinco. Elas têm uma tensão de saída nominal semelhante à das pilhas alcalinas de 1,55 volts, mas tendem a ser fornecidas com uma capacidade maior e uma curva de descarga mais plana. Essas baterias são geralmente mais seguras e têm vida útil mais longa do que as baterias de lítio com uma curva de descarga semelhante.

A Tabela 1 resume os vários tipos de baterias primárias.

Tabela 1: São mostradas as tensões mínima, nominal e máxima e a energia específica para várias eletroquímicas de baterias primárias. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A tensão da bateria diminui com a descarga. A Figura 1 mostra a tensão de saída de uma pilha alcalina AA com uma carga de corrente constante de 100 miliamperes (mA). A regulagem é necessária para garantir que a bateria ou pilha possa fornecer uma, ou mais tensões consistentemente estáveis para os componentes do sistema.

Figura 1: A tensão da bateria diminui à medida que a energia é drenada. Este exemplo mostra a tensão de saída de uma pilha alcalina AA sob uma carga de corrente constante de 100 mA. (Fonte da imagem: Energizer)

As baterias para sistemas médicos estão sujeitas a normas como a ANSI/AAMI ES 60601-1. Os projetistas podem garantir que as baterias selecionadas atendam aos requisitos regulamentares trabalhando com um fornecedor respeitado.

Opções de conversão CC/CC para sistemas médicos alimentados por bateria

A regulagem de tensão corresponde à saída da bateria selecionada para vários requisitos de tensão de entrada do sistema. Por exemplo, pode-se esperar que uma bateria de 3 volts forneça 2 volts a um circuito e 1,1 volts a outro. A regulagem também pode ser usada para manter uma tensão constante e confiável à medida que a tensão da bateria diminui durante a descarga.

Há duas categorias principais de conversores CC/CC comerciais para regulagem de tensão: o regulador linear de baixa queda de tensão (LDO) e o regulador chaveado. Os LDOs são mais simples, mas tendem a ser menos eficientes e só podem abaixar (buck) a tensão da bateria. No entanto, um LDO se torna mais eficiente à medida que a diferença de tensão da entrada e saída diminui (a eficiência é proporcional a V_OUT/V_IN). O tamanho compacto, o preço mais baixo e a ausência de ruído da ondulação de tensão inerente aos reguladores chaveados são outras vantagens dos LDOs.

Os reguladores chaveados geralmente oferecem maior eficiência; alguns tipos podem aumentar (boost) e diminuir (buck) a tensão da bateria. As desvantagens dos reguladores chaveados são a complexidade do projeto, a possibilidade de interferência eletromagnética (EMI), o custo e a maior pegada na placa de circuito impresso (PCI).

(Consulte "Seleção do regulador correto para sua aplicação" e "Compreensão das vantagens e desvantagens dos reguladores lineares").

Um exemplo de um regulador buck chaveado altamente eficiente para aplicações médicas é o MAX38640AENT+ da Analog Devices. Esse dispositivo opera com uma entrada de 1,8 a 5,5 volts e fornece uma saída entre 0,7 e 3,3 volts. O regulador suporta correntes de carga de 175, 350 ou 700 mA com eficiências de pico de 96%. Ele também oferece 88% de eficiência em correntes de carga de até 10 microamperes (µA) (Figura 2). O chip é fornecido em um invólucro compacto ao nível da lâmina (WLP) de 6 pinos de 1,42 x 0,89 milímetros (mm) e em um invólucro µDFN de 6 pinos de 2 x 2 mm.

Figura 2: O MAX38640 demonstra boa eficiência em uma ampla faixa da corrente de carga, ajudando a prolongar a vida útil da bateria em sistemas médicos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Exemplo de aplicação médica com bateria

Um eletrodo torácico de eletrocardiograma (ECG) com um tempo de funcionamento desejado de cinco dias é um bom exemplo de aplicação. O eletrodo é descartável, com uma bateria que não pode ser substituída. Ele apresenta conectividade Bluetooth Low Energy (LE) para transmitir sem fio os dados do ECG.

O eletrodo é baseado em um front-end analógico (AFE) de ECG MAX30001 e uma unidade de microcontrolador (MCU) MAX32655. Ele também possui um sensor de temperatura MAX30208 e um acelerômetro ADXL367B.

Como a aplicação é um eletrodo descartável, a bateria deve ser barata, totalmente vedada, pequena e leve. Esses requisitos tornam o fator de forma da célula tipo moeda uma boa opção.

A comunicação Bluetooth LE do sistema final e os diferentes modos de operação da MCU MAX32655 exigem altas correntes, o que torna os produtos químicos LMO e Ag₂O adequados. A LMO tem uma tensão de saída nominal de 3,0 volts e uma energia específica duas vezes maior que a de Ag₂O. A LMO pode ser fornecida em um fator de forma conveniente da célula tipo moeda CR2032 com capacidade de até 235 miliamperes-hora (mAh). A de Ag₂O tem uma tensão de saída nominal de 1,55 volts, e o maior fator de forma da célula tipo moeda disponível é a bateria SR44W com capacidade de 200 mAh.

O perfil de carga do eletrodo torácico de ECG é estimado em cerca de 45 mAh por dia: 45 x 5 dias = 225 mAh. Isso está dentro da capacidade da bateria LMO de 235 mAh, mas além da capacidade da célula de Ag₂O de 200 mAh. A bateria LMO é, portanto, a melhor opção para essa aplicação médica.

Projeto do circuito de regulagem de tensão

Para a regulagem de tensão, o projetista pode usar a saída nominal de 3 volts da bateria LMO como entrada para três reguladores buck chaveados MAX38640.

Dois desses reguladores podem alimentar as entradas analógicas e digitais do MAX30001. Ambos exigem uma alimentação entre 1,1 e 2 volts e demandam uma corrente bem dentro da capacidade do regulador.

Outro regulador MAX38640 alimenta a MCU, o sensor de temperatura e o acelerômetro. A MCU requer uma entrada de tensão mínima de 2 volts, o sensor de temperatura tem um requisito mínimo de 1,7 volts e o acelerômetro tem um requisito mínimo de 1,1 volts. O consumo de corrente dos três dispositivos está bem dentro da capacidade do regulador. A Figura 3 mostra um esquema do projeto da fonte de alimentação que aumenta a vida útil da bateria para cinco dias.

Figura 3: No projeto da fonte de alimentação para um eletrodo de ECG com uma MCU, um sensor de temperatura e um acelerômetro, três reguladores buck chaveados eficientes aumentam a vida útil da bateria para cinco dias. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

Vários fatores influenciam a escolha da bateria para dispositivos médicos. Para maximizar a vida útil da bateria e garantir que os CIs sensíveis recebam uma alimentação de tensão estável e sem ruídos, a saída da bateria deve ser regulada por LDOs ou conversores chaveados. Muitos módulos comerciais estão disponíveis para cada categoria, e a seleção é principalmente uma compensação entre eficiência, custo e complexidade do projeto.