【導讀】物聯網(IoT)革ge命ming，使shi醫yi療liao機ji構gou實shi時shi護hu理li患huan者zhe的de方fang式shi發fa生sheng了le範fan式shi轉zhuan變bian。其qi中zhong，遠yuan程cheng患huan者zhe監jian測ce，是shi當dang前qian新xin型xing醫yi療liao設she備bei改gai變bian醫yi患huan互hu動dong方fang式shi的de重zhong要yao領ling域yu。隨sui著zhe集ji成cheng電dian路lu微wei觀guan化hua、無線技術演進，傳統醫療設備舊貌換新顏，功能獲得增強
，患者的依從性和療效逐步提高。

來自電源的挑戰

目前，遠程患者監測貼片取代了傳統笨重的Holter設備，貼片中包含的各種傳感器，能夠收集心率
、溫wen度du和he加jia速su計ji數shu據ju，可ke將jiang患huan者zhe數shu據ju傳chuan輸shu到dao雲yun端duan，利li於yu患huan者zhe和he醫yi生sheng實shi時shi訪fang問wen。雖sui然ran這zhe些xie貼tie片pian有you助zhu於yu醫yi生sheng提ti升sheng護hu理li能neng力li
，卻que給gei電dian源yuan設she計ji人ren員yuan帶dai來lai挑tiao戰zhan，他ta們men必bi須xu平ping衡heng兼jian顧gu係xi統tong性xing能neng與yu電dian池chi壽shou命ming要yao求qiu。隨sui著zhe第di二er代dai貼tie片pian采cai用yong多duo模mo態tai傳chuan感gan來lai提ti高gao精jing度du和he有you效xiao性xing
，挑tiao戰zhan進jin一yi步bu凸tu顯xian，更geng對dui電dian源yuan提ti出chu嚴yan苛ke指zhi標biao。

圖1.ECG貼片電源原理圖。用一個235 mAh的CR2032紐扣鋰電池為穩壓器、微控製器、ECG前端、溫度傳感器和加速度計供電。

以ECG RPM貼片(如圖1)為例

，該貼片可連續監測ECG和加速計

，同時每15分鍾檢查一次溫度。數據通過低能耗藍牙®(BLE)每2小時傳輸一次，每天總共進行12次BLE傳輸。貼片支持三種不同的負載模式：標準監測、溫度監測和傳輸模式。在標準監測模式下
，僅監控ECG和加速計。在溫度監測模式下，還要監測另一個溫度傳感器。在傳輸模式下
，BLE無線電同時監測ECG和加速計數據，並同步傳輸數據。

設計RPM，比如ECGtiepian
，duidianyuanshejirenyuanlaishuo
，tiaozhanhuilaiziduogecengmian。shejitongchangshoudaokongjianfangmiandexianzhi，daiyouduogechuanganqidetiepiankenengxuyaoduogedianyuandaogui。youyuRPM貼tie片pian通tong常chang是shi一yi次ci性xing使shi用yong產chan品pin，因yin此ci設she計ji人ren員yuan一yi般ban會hui選xuan擇ze紐niu扣kou電dian池chi這zhe種zhong經jing濟ji高gao效xiao的de電dian源yuan。如ru果guo僅jin使shi用yong紐niu扣kou電dian池chi為wei貼tie片pian供gong電dian
，設she計ji人ren員yuan還hai必bi須xu考kao慮lv電dian源yuan子zi係xi統tong的de效xiao率lv。

另ling外wai，電dian源yuan設she計ji人ren員yuan經jing常chang會hui忽hu視shi一yi個ge挑tiao戰zhan，是shi如ru何he延yan長chang產chan品pin的de保bao質zhi期qi。由you於yu，關guan斷duan電dian流liu和he電dian池chi自zi放fang電dian會hui縮suo短duan任ren何he係xi統tong的de壽shou命ming。因yin此ci，設she計ji人ren員yuan必bi須xu明ming確queRPM貼片在保質期之後能否滿足運行時間要求，如果不能，在貼片到達最終用戶手中之前，可以采取哪些措施來保持電池壽命。

洞悉電池運行時間

weilezhunquezhangwodianyuanjiejuefanganshifoufuhedianchishoumingyaoqiu，bixuquedingfuzaiquxian。fuzaiquxianshixitongfuzaizhankongbidejiandanbiaoshi。duiyuyuanchenghuanzhejiancetiepianlaishuo，kecongbiaozhunjiance、溫度監測和傳輸模式三種不同的工作模式入手。

在標準監測模式下，圖1所示貼片的電流消耗（包括每個降壓變換器的330 nA靜態電流和MCU的電流消耗）為1.88 mA。在溫度監測模式下，電流消耗為1.95 mA，每15分鍾持續200毫秒。在傳輸模式下，當貼片通過BLE傳輸數據時，電流消耗為7.90 mA，每2小時持續30秒。這些數值可以在相應的設備數據表中查看有源和靜態電流規格部分找到。

要進行負載曲線分析，需使用一天中每種工作模式的時間段來確定占空比計算值。使用公式1：

可以得出貼片的占空比，如表1所示。

表1.貼片在不同工作模式下的占空比

圖2.負載曲線圖。

利用圖2中的負載曲線
，可以計算出貼片的電流消耗。取每種工作模式下的有效電流消耗
，通過公式2可以計算出每天的平均電流消耗近似值。

下麵是一個計算示例：

標準監測模式每天的電流 = 標準監測模式電流×標準監測模式占空比×24小時

標準監測模式電流 = 1.88 mA標準監測模式占空比 = 0.9956

標準監測模式每天的電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小時 = 44.92 mAh/天

一旦確定每種工作模式的每日電流消耗，就可以通過公式3確定電池的使用壽命。

下麵是另一個計算示例：

電池容量 = 235 mAh

標準監測模式每天的電流 = 44.92 mAh/天

溫度監測模式每天的電流 = 0.01 mAh/天 傳輸模式每天的電流 = 0.79 mAh/天

電池壽命（天）= 235 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.14天

這些計算結果表明，該器件將滿足5天的工作時間要求，電池壽命超過5.1天。然而
，這個結果具有欺騙性


，因為沒有考慮係統的保質期。在醫療器械行業，最好是設計14個月的保質期（貨架期12個月
，運輸期兩個月）。

必須考量的保質期因素

將係統中設備的關斷電流相加，同時使用CR2032電池每年1%到2%的典型自放電率，可以看出，14個月後，電池的容量不足以支持5天的工作時間，需要進行電池密封。

表2.14個月後的電池容量

在貨架上放置14個月後，電池容量將顯著減少。當CR2032閑置在貨架上時，近40%的能量將通過關斷電流和電池自泄漏消耗掉。將這個電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時間：

電池壽命（天）= 146.66 mAh/（標準監測模式+溫度監測模式+傳輸模式）

電池壽命（天）= 146.66 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 3.21天

上架時間超過一年，電池容量會受到電池自放電和係統關斷電流的影響。電池自放電與電池的化學性質和環境有關。CR2032電池的化學成分是鋰錳
，每年的自放電率為1%至2%。一年後，紐扣電池在休眠狀態下可能會損失2%的容量。對比之下
，BR2032電池的化學成分是鋰-氟化碳聚合物，每年的自放電率為0.3%。我們通常會認為，最適合應用的電池化學成分是放電率最低的
，但事實並非如此。雖然BR2032電池的放電率較低
，但其容量也比200 mAh的CR2032電池低。使用前麵的公式重新計算，可以確定這樣的低容量電池的電量是否足夠。

在這個ECG貼片中
，當係統斷電時
，IC關斷電流是減少電池壽命的最大因素。當IC被禁用且無有效負載時
，會產生關斷電流。這些電流通常是由於IC中漏電和IC內的ESD保護裝置造成的，即使在沒有負載的情況下也會消耗少量的電流。這些電流通常很小（低於1μA），但對電池壽命卻有很大的影響。在這個RPM貼片中
，關斷電流在一年內可使電池容量減少多達40%。使用電池密封可限製係統在關斷時從電池中吸取過多的電流。

電池密封通常采用兩種方式：聚酯薄膜拉片形式的機械電池密封
，以及負載開關形式的電氣電池密封。聚酯薄膜/塑su料liao拉la片pian是shi一yi種zhong機ji械xie電dian池chi密mi封feng，其qi中zhong塑su料liao拉la片pian位wei於yu電dian池chi和he係xi統tong之zhi間jian。當dang準zhun備bei使shi用yong設she備bei時shi
，用yong戶hu隻zhi需xu拔ba出chu塑su料liao片pian
，電dian池chi就jiu開kai始shi為wei係xi統tong供gong電dian。這zhe是shi一yi種zhong簡jian單dan
、低成本
、成熟的電池機械密封，已經使用了很多年。然而，對於醫療設備來說
，這種解決方案並不是始終可行的。對於需要防水的ECG貼片來說，聚酯薄膜突出的槽會使貼片容易被水損壞。此外，對於不夠靈巧的終端用戶來說，這種小的塑料薄片可能不太好用。

簡單的負載開關
，如Vishay SiP32341，是電氣電池密封的一個不錯選擇。該器件是一個場效應晶體管
，開啟時
，可將電池與係統的其它部分隔開，使SiP32341的關斷電流成為電池上唯一的消耗電流。負載開關有一條邏輯控製線
，當準備使用設備時
，可以通過按鈕接通。SiP32341的關斷電流一般為14 pA，與沒有電池密封時整個係統的電流消耗相比，采用電池密封有顯著改善。如果使用SiP32341作為電池密封件，CR2032原電池在14個月內可保持99.97%的容量。如果不用電池密封件來保護電池免受ECG貼片關斷電流的影響，那麼CR2032原電池隻能保持62.39%的原始電量。一旦消除這37%的容量差異，可以使ECG貼片在14個月的保質期以後仍能滿足5天的壽命要求。

表3.使用電池密封件14個月後的電池容量

電池密封件通過防止係統中的所有設備消耗電池關斷電流，從而保持電池容量。在RPM貼片閑置14個月後，剩餘電池容量還保持在99.9%以上。

將這個電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時間：

電池壽命（天）= 230.25 mAh/（標準監測模式+溫度監測模式+傳輸模式）

電池壽命（天）= 230.25 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.04天

結論

在ADI看來，為了設計出能滿足醫療設備所有要求的電源
，在係統處於活動狀態和關機/低功耗模式時進行電池分析至關重要。通過BLE通信收集心率、溫度和加速度數據的ECG貼片案例不難發現，基於ADI公司的分析和原理

，可以應用於由原電池供電的任何數量的醫療設備係統上，供更多設備廠商參考。

關於ADI公司

ADI是全球領先的高性能模擬技術公司，致力於解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借傑出的檢測
、測量、電源、連接和解譯技術，搭建連接現實世界和數字世界的智能化橋梁
，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網www.analog.com/cn。

作者簡介

Fahad Masood是ADI公司健康和醫療生物傳感應用技術人員。他在醫療保健、計算和工業應用的電子產品開發方麵擁有近十年的經驗。Fahad獲

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