最大程度延长医疗可穿戴设备的电池寿命

本文作者：德州仪器系统工程与营销医疗部门系统经理 John Varela Munoz

德州仪器医疗部门、系统工程和营销系统工程师 Rogelio Armino

本文将讨论以下问题：芯片级的进步如何延长医疗可穿戴设备的电池寿命。这些系统中不同电池化学成分之间存在哪些权衡。与从待机模式到活动模式的转换以及返回有关的考虑因素。

可穿戴医疗设备的市场正在迅速扩大。不仅越来越多的设备获得政府标准批准以诊断疾病和监测关键生命指标，而且越来越多的用户对更多个人数据感兴趣以改善他们的生活方式。跟踪代谢性能、压力和睡眠质量的能力是消费者特别欢迎的功能。

可穿戴医疗设备制造商努力实现更小的尺寸、更轻的重量、更长的操作时间和更智能的功能集。然而，这些特性通常超出了电池的进步，因此设计师必须想出更有效使用电池的新方法，从而提高整体功能。

无论电源拓扑如何，挑战都是持续存在的——可穿戴医疗设备需要：

- 低静态电流 (Iq) 和关机功能以延长其保质期。

- 高效率以延长其在活动模式下的使用寿命。

- 能够容忍并管理无线电传输中常见的动态快速瞬态负载。

低功耗微控制器 (MCU)、边缘人工智能 (AI) 处理和模拟集成电路 (IC) 已面世，但如果不优化电源管理，则并不能够总是在设计中利用这些技术。为应用选择正确的电源架构以提高效率和延长电池运行时间非常重要。

在本文中，我们将重点介绍负载开关、DC-DC 转换器和电池充电器中的不同电源方案和新技术，这些方案和新技术可以最大限度地延长一次性和可重复使用的可穿戴医疗设备的电池寿命，无论是货架/运输模式还是活动模式。

医疗可穿戴设备中使用的电池类型

心率监测器、多参数贴片、血糖监测器、血压监测器、脉搏血氧仪、健身监测器、活动监测器和药物输送贴片等设备都可以是便携式和可穿戴的。其中许多设备是一次性的或使用需要更换的电池。此外，目前的可穿戴医疗设备可以连接到越来越多的智能设备并支持多种协议，从而导致更高的功耗。

锂锰二氧化电池 (LiMnO2)、碱性电池和锂离子 (Li-ion) 电池因其高能量密度、使用寿命和可充电性而成为可穿戴设备的主要材料。但新化学技术的最新进展正在实现新的可能性和应用。银锌和锌空气电池可实现更长的活动模式容量，而氧化银电池的自放电率较低，约为每年 10% 或更低，从而延长了保质期。

可充电电池技术也有了新的发展。锂聚合物 (LiPo) 电池可实现灵活的电池设计，可以灵活改变模组形状，从而适应可穿戴设备。固态电池的价格越来越便宜，可以应用于可穿戴设备，具有高能量密度和灵活的外形尺寸，且没有安全问题。镍氢 (NiMH) 仍然很受欢迎，因为它可以连续使用，使用寿命长，成本较低。低放电率镍氢电池也可用。

高能量密度电池化学成分的一个趋势是降低电池电压（表 1），这要求电源解决方案在峰值负载下以更高的效率运行。不幸的是，射频数据传输或启动电机等功能的高峰值电流可能会导致电池电压下降到足以触发关键 IC 的电压下降。

优化可穿戴医疗设备中的活动和待机模式转换

在活动模式下，医疗贴片（心电图、温度和血糖）通常会花费很短的时间来测量、处理或预处理数据以发送到远程终端，然后返回休眠状态。在这种情况下，电池的负载会迅速从数百纳安转变味传感贴片中的几十毫安，或者对于带有电机和泵的药物输送贴片，电流甚至更高。

图 1 显示了这种情况，其中下面波形中的阶跃负载导致主供电线路中出现较大的电压瞬变，如上面波形所示。主要挑战是，当系统能够在不同负载下高效运行时，还必须处理快至几微秒的瞬变。

考虑图 2 中的示例，该示例说明了在可穿戴应用中使用德州仪器 (TI) CC2340R5 低功耗蓝牙 (LE) MCU 和低压化学电池。由于低功耗蓝牙设备的输入电压最低为1.7 V，因此您可以使用升压转换器（例如 TI 的 TPS61299）。

通常，当蓝牙 LE 设备从睡眠模式进入连接事件时，负载电流会非常迅速地增加，并导致主供电轨出现较大的电压下降。当使用具有高等效串联电阻和等效串联电感的电池化学成分时尤其如此。为了维持这些下降并且不让电路的某些部分进入电压下降状态，TPS61299采用了快速模式检测控制环路，可以稳定电源电压并将典型蓝牙 LE 负载的稳定时间缩短至 8 µs。

在胰岛素泵和药物输送贴片等应用中，来自剂量泵的负载瞬变可能对于传统补偿方法来说太高。在这种情况下，大型超级电容器可以快速提供高耗电组件所需的能量。 TI 的 TPS61094 是一款 60 nA IQ 降压-升压转换器，具有超级电容器管理功能，可在电池和超级电容器电源之间无缝转换。

除了解决瞬态响应挑战之外，在电流负载中实现高效率也是必不可少的。TI 的 DC-DC 开关稳压器产品组合有多种设备，旨在解决可穿戴医疗设备中存在的特定挑战。

当输入电压与所选输出紧密匹配时，直通模式允许降压、升压和降压-升压设备将负载直接连接到电池，以提高运行效率。随着电压下降，设备将进入活动模式并具有多种操作模式。当负载从高到低变化时，脉冲宽度调制 (PWM)、脉冲频率模式 (PFM) 和突发模式之间的智能切换有助于整体系统效率保持在 85% 以上，涵盖微安级到数百毫安。

除了自动在 PWM 和 PFM 之间切换外，TI 的 TPS62840 降压转换器还具有 100% PWM 模式，仅消耗 120 nA IQ。这样，即使电池电量即将耗尽，系统也能保持高最大效率运行。

解决瞬态问题的另一种方法是提高低电流和高电流模式下的效率。TI 的 TPS63900 降压-升压转换器具有两种不同的可编程电压。例如，当 CC2340R5 即将唤醒时，该设备可以升压至 3 V，从而使无线电能够更高效地运行。然后，当只有少数 IC 模块打开时，转换器可以在待机模式下降至 1.8 V。

表 2 列出了本节中提到的器件及其在不同模式下的独特电流消耗。

通过低功耗运输模式和智能负载开关延长电池寿命

大多数可穿戴医疗设备在包装时不处于活动状态，因为在它们到达用户（或患者）手中之前可能要经过数周或数月。专用的低功耗模式有助于在产品从制造商到消费者的运输过程中延长电池寿命。

在所谓的“运输模式”下，设备处于高阻抗状态，电流泄漏得到有效抑制。只有少数 Iq 极低的设备在运输模式下保持供电，以检测设备何时开始启用。

此外，具有最小关断电流的运输模式有助于在产品最终投入活动使用时最大限度地提高可用功率。如果设备设计为使用一次性电池，这一点就变得尤为重要。

考虑一个使用 1.5 V 氧化银电池（容量为 150 mAh）的无线贴片的示例。为了在非活动状态下持续使用一年，可穿戴医疗设备可以使用负载开关来最大限度地降低电流消耗。如果产品的系统组件在禁用时消耗约 1 µA，则这至少会消耗 150 mAh 预算中的 8.76 mAh（1 µA × 24 小时 × 365 天）。

换句话说，效率低下可能导致总电池损耗约 5.84%（8.76 mAh/150 mAh）。这些效率低下可能源于诸如温度变化导致的最小和最大规格、功率元件效率损失以及无线电模块漏电等损耗。

诸如负载开关之类的设备具有低至纳安级的关断电流，有助于长期节省电量。负载开关用作电控开关，当模块不需要处于活动状态时，能够显著降低电源电流（图 3）。

负载开关（如 TPS22916 (0.8 × 0.8 mm)）可将关机漏电流降至 10 nA，这个功率在系统禁用时几乎不会对电池寿命产生影响（0.058%）（表 3）。

如果单个产品中有多个单独供电的模块，则可以使用多个负载开关禁用负载和模块。这提高了电源架构根据需要严格管理功耗的能力。

其他集成低 Iq 设备包括具有关机功能（如真正断开）的 DC-DC 转换器，它可以最大限度地减少漏电流，以防止关机期间的功率损失。现在，大多数 DC-DC 转换器的关断电流可以达到 60 nA 或更低，这有利于选择该类器件，并且通过消除对额外负载开关 IC 的需求来降低成本。尽管 DC-DC 转换器并不总是像负载开关那样有效，但当尺寸是一个重要考虑因素时，其充当负载开关的能力可能是决定性因素。

为电池充电

可穿戴医疗设备的电池充电是一个具有挑战性的课题，因为这些产品中的电池必须尺寸小、同时容量也会更小。充电电流和模式因电池容量和化学性质的不同而有很大差异。无线充电的能力也带来了更高的复杂性。

虽然快速充电很重要，但让尽可能多的能量进入电池也至关重要。这可以通过特定技术来实现，例如低终止电流和仔细监控电池电量。通过仔细选择为特定应用设计的设备，可以最大限度地提高每个电池周期的电量。

虽然一次性可穿戴设备目前较为常见，但可重复使用的便利性对消费者来说很重要，他们更喜欢使用无线充电器或易于连接的电缆进行快速充电。出于环保考虑，人们也开始转向可重复使用的可充电设备。

电池充电设备的一大优势是集成度高。可以根据设计的可用空间和电源需求采用不同级别的电源集成。TI 的 BQ25125和 BQ25155等可穿戴设备的电池充电管理解决方案可以通过将各种电源解决方案集成到一个小芯片中来提供高效的电池电流消耗。

集成运输模式和低 Iq DC-DC 转换器等实用功能可进一步延长电池寿命。这些设备的电池监控也非常准确，有助于设计更高效的系统。

有多种方法可以延长可穿戴患者监护仪和医疗贴片的电池寿命。延长电池寿命的关键是选择以最低电流消耗运行的设备，并有效地减少系统活动，直到不需要时为止。电源电源架构在延长电池寿命方面起着重要作用。