Selección y optimización de baterías en productos sanitarios

Seleccionar la mejor batería para un dispositivo médico portátil es tan importante como elegir el procesador, el chip inalámbrico y la memoria Flash adecuados. Una mala elección de la fuente de energía puede comprometer seriamente el rendimiento de un producto que, por lo demás, está bien diseñado.

Dado que el voltaje de cualquier tipo de batería varía en función de parámetros como la carga, la carga y la temperatura, es necesario regularlo para garantizar un voltaje constante fiable a la carga.

En este artículo se ofrece un breve resumen de los productos químicos para baterías adecuadas para el uso médico. A continuación, presenta las opciones de regulación de voltaje de Analog Devices y utiliza una aplicación práctica para mostrar cómo se aplican.

Comprender las características de la batería

Los siguientes parámetros influyen en la selección de la batería para un producto de uso médico:

• Necesidad de una batería primaria o secundaria (recargable)
• Tamaño de la batería, voltaje, resistencia interna, capacidad y energía específica.
• Electroquímica de baterías
• Normativa aplicable

Las baterías primarias tienen una corriente de autodescarga menor que las secundarias. Esto las hace más adecuadas para sistemas con un tiempo prolongado entre usos. La desventaja es la necesidad de sustituir y eliminar la célula una vez descargada.

Las baterías secundarias son más adecuadas para aplicaciones con un consumo de corriente relativamente alto. Suelen ser más caras que las pilas primarias, y la complejidad del sistema aumenta por la necesidad de incorporar circuitos de carga.

Las dimensiones del sistema ayudan a determinar las limitaciones del tamaño físico de la batería, mientras que la duración prevista de la batería y el consumo medio de corriente del sistema ayudan a determinar la capacidad necesaria. Una mayor energía específica (kilojulios por kilogramo (kJ/kg)) permite una batería más ligera para un almacenamiento de energía determinado.

La resistencia interna de una batería disipa energía. La electroquímica, los materiales de construcción de la carcasa y las dimensiones de la batería influyen en esta resistencia. Además, las baterías compactas suelen tener mayor resistencia interna que las grandes. Por lo general, las baterías de litio presentan una resistencia interna menor que las alcalinas, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de alto consumo de corriente debido a la disipación de potencia resultante. Durante el funcionamiento, la resistencia interna de una batería varía en función de la velocidad y la profundidad de descarga, la temperatura y la antigüedad de la batería, entre otros factores.

El voltaje nominal de salida de una batería viene determinado por su electroquímica. Por ejemplo, una pila alcalina primaria de níquel-zinc (NiZn) tiene un voltaje nominal de 1,5 voltios y una energía específica de 720 kJ/kg (o 200 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg)). Una batería/pila primaria de litio-óxido de manganeso (LMO) tiene un voltaje nominal de 3.0 voltios y una energía específica de 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

El zinc-aire y el óxido de plata (Ag₂O) son otras electroquímicas habituales. Las baterías de zinc-aire constan de un ánodo de zinc, un separador de pasta electrolítica y un cátodo de aire ambiente. Este tipo suele suministrarse en un factor de forma de pila de botón. Debido a su cátodo no metálico, una batería de zinc-aire es ligera y comparativamente barata. Incluye una curva de descarga relativamente plana y voltaje de salida nominal de 1.4 voltios.

Las baterías de Ag₂O combinan un cátodo de plata y un ánodo de zinc. Tienen una tensión nominal de salida similar a la de las pilas alcalinas, de 1.55 voltios, pero suelen suministrarse con mayor capacidad y una curva de descarga más plana. Estas baterías suelen ser más seguras y tienen una vida útil más larga que las baterías de litio con una curva de descarga similar.

La tabla 1 resume los distintos tipos de baterías primarias.

Tabla 1: Se muestran los voltajes mínimos, nominales y máximos y la energía específica para diversas electroquímicas de baterías primarias. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El voltaje de la batería/pila disminuye con la descarga. La figura 1 muestra el voltaje de salida de una batería/pila alcalina AA con una carga de corriente constante de 100 miliamperios (mA). La regulación es necesaria para garantizar que la batería o baterías puedan suministrar uno o más voltajes estables a los componentes del sistema.

Figura 1: El voltaje de la batería/pila disminuye a medida que se agota la energía. Este ejemplo muestra el voltaje de salida de una batería/pila alcalina AA bajo una carga de corriente constante de 100 mA. (Fuente de la imagen: Energizer)

Las baterías para sistemas médicos están sujetas a normas como la ANSI/AAMI ES 60601-1. Los diseñadores pueden asegurarse de que las baterías preseleccionadas cumplen los requisitos normativos trabajando con un proveedor respetado.

Opciones de conversión CC/CC para sistemas de uso médico alimentados por batería

La regulación de voltaje adapta la salida de la batería/pila seleccionada a los distintos requisitos de voltaje de entrada del sistema. Por ejemplo, una batería/pila de 3 voltios puede suministrar 2 voltios a un circuito y 1.1 voltios a otro. La regulación también puede utilizarse para mantener un voltaje constante fiable a medida que el voltaje de la batería disminuye durante la descarga.

Existen dos categorías principales de convertidores de CC/CC comerciales para la regulación de voltaje: el regulador lineal de caída baja (LDO) y el regulador de conmutación. Los LDO son más sencillos, pero suelen ser menos eficientes y sólo pueden reducir (buck) el voltaje de la batería/pila. Sin embargo, un LDO es más eficiente a medida que disminuye la diferencia de voltaje entre la entrada y la salida (la eficiencia es proporcional a V_OUT/V_IN). El tamaño compacto, el precio más bajo y la ausencia del ruido de ondulación de la tensión inherente a los reguladores de conmutación son otras ventajas de los LDO.

Por lo general, los reguladores de conmutación ofrecen una mayor eficiencia; algunos tipos pueden aumentar (boost) y reducir (buck) el voltaje de la batería. Las desventajas de los reguladores de conmutación son la complejidad del diseño, la posibilidad de que se produzcan interferencias electromagnéticas (EMI), el costo y el mayor tamaño de la placa de circuito impreso (PC).

(Consulte: "Selección del regulador adecuado para su aplicación" y "Ventajas e inconvenientes de los reguladores lineales").

Un ejemplo de regulador buck de conmutación muy eficaz para aplicaciones médicas es el MAX38640AENT+ de Analog Devices. Este dispositivo funciona con una entrada de 1.8 a 5.5 voltios y proporciona una salida de entre 0.7 y 3.3 voltios. El regulador admite corrientes de carga de 175, 350 o 700 mA con eficiencias pico del 96%. También ofrece un 88% de eficiencia con corrientes de carga de hasta 10 microamperios (µA) (figura 2). El chip se suministra en un compacto encapsulado WLP (wafer level package) de 6 patillas y 1.42 x 0.89 milímetros (mm), y en un encapsulado µDFN de 6 patillas y 2 x 2 mm.

Figura 2: El MAX38640 demuestra una buena eficiencia en un amplio intervalo de corriente de carga, lo que ayuda a prolongar la vida útil de las baterías en los sistemas médicos. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Ejemplo de aplicación médica de una batería/pila

Un parche torácico para electrocardiogramas (ECG) con un tiempo de funcionamiento deseado de cinco días es un buen ejemplo de aplicación. El parche es desechable, con una batería/pila no sustituible. Incluye conectividad Bluetooth de baja energía (LE) para transmitir de forma inalámbrica los datos del ECG.

El parche se basa en un front-end analógico (AFE) de ECG MAX30001 y una unidad de microcontrolador (MCU) MAX32655. Incluye sensor de temperatura MAX30208 y acelerómetro ADXL367B.

Dado que la aplicación es un parche desechable, la batería debe ser barata, totalmente hermética, pequeña y ligera. Estos requisitos hacen que el factor de forma de pila de botón sea una buena elección.

La comunicación Bluetooth LE del sistema final y los distintos modos de funcionamiento de la unidad de microcontrolador MAX32655 exigen corrientes elevadas, por lo que los productos químicos adecuados son LMO y Ag₂O. El OVM tiene un voltaje nominal de salida de 3.0 voltios y una energía específica que duplica la del Ag₂O. LMO puede suministrarse en un cómodo factor de forma de pila de botón CR2032 con una capacidad de hasta 235 miliamperios hora (mAh). Ag₂O tiene un voltaje de salida nominal de 1.55 voltios y el mayor factor de forma de pila de botón disponible es la batería SR44W con una capacidad de 200 mAh.

Se calcula que el perfil de carga del parche torácico de ECG es de unos 45 mAh al día: 45 x 5 días = 225 mAh. Esto está justo dentro de la capacidad de la batería/pila de OVM de 235 mAh, pero por encima de la de la célula de Ag₂Ode 200 mAh. La batería/pila LMO es, por tanto, la mejor elección para este uso médico.

Diseño del circuito regulador de voltaje

Para la regulación del voltaje, el diseñador puede utilizar la salida nominal de 3 voltios de la batería/pila LMO como entrada para tres reguladores de conmutación buck MAX38640.

Dos de estos reguladores pueden alimentar las entradas analógicas y digitales del MAX30001. Ambos requieren una alimentación de entre 1.1 y 2 voltios y exigen una corriente muy por debajo de la capacidad del regulador.

Otro regulador MAX38640 alimenta la MCU, el sensor de temperatura y el acelerómetro. La unidad de microcontrolador requiere una entrada de voltaje mínima de 2 voltios, el sensor de temperatura tiene un requisito mínimo de 1.7 voltios, y el acelerómetro tiene un requisito mínimo de 1.1 voltios. El consumo de corriente de los tres dispositivos está dentro de la capacidad del regulador. La figura 3 muestra un esquema del diseño de la fuente de alimentación que amplía la duración de la batería a cinco días.

Figura 3: En el diseño de la fuente de alimentación de un parche de ECG con una MCU, un sensor de temperatura y un acelerómetro, tres eficientes reguladores de conmutación buck prolongan la duración de la batería a cinco días. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Conclusión:

Varios factores influyen en la elección de la batería para los productos de uso médico. Para maximizar la vida útil de las baterías y garantizar que los CI sensibles reciban un suministro de tensión estable y sin ruidos, la salida de la batería debe regularse mediante LDO o convertidores de conmutación. Hay muchos módulos comerciales disponibles para cada categoría, y la selección es principalmente un compromiso entre eficiencia, costo y complejidad del diseño.