Sélection et optimisation des batteries dans les dispositifs médicaux

La sélection de la meilleure batterie pour un dispositif médical portable est aussi importante que le choix du processeur, de la puce sans fil et de la mémoire Flash appropriés. Un mauvais choix de source d'énergie peut sérieusement compromettre les performances d'un produit par ailleurs bien conçu.

Étant donné que la tension de chaque type de batterie varie en fonction de paramètres tels que la recharge, la charge et la température, une régulation est nécessaire pour garantir une tension constante et fiable à la charge.

Cet article fournit un bref aperçu des chimies de batteries adaptées aux dispositifs médicaux. Il présente ensuite des options de régulation de tension d'Analog Devices et montre comment les appliquer à l'aide d'une application pratique.

Comprendre les caractéristiques des batteries

Les paramètres suivants influencent le choix d'une batterie pour un produit médical :

• Besoin d'une batterie primaire ou secondaire (rechargeable)
• Taille, tension, résistance interne, capacité et énergie spécifique de la batterie
• Électrochimie des batteries
• Réglementations applicables

Les batteries primaires ont un courant d'autodécharge inférieur à celui des cellules secondaires. Elles conviennent donc mieux aux systèmes où les intervalles entre les utilisations sont plus longs. L'inconvénient est la nécessité de remplacer et de jeter/recycler la cellule une fois celle-ci déchargée.

Les batteries secondaires sont mieux adaptées aux applications dont la consommation de courant est relativement élevée. Elles sont généralement plus chères que les cellules primaires et la complexité du système est accrue en raison de la nécessité d'incorporer des circuits de charge.

Les dimensions du système aident à déterminer les limites de la taille physique de la batterie, tandis que la durée de vie cible de la batterie et la consommation de courant moyenne du système aident à déterminer la capacité requise. Une énergie spécifique plus élevée (kilojoules par kilogramme (kJ/kg)) permet une batterie plus légère pour un stockage d'énergie donné.

La résistance interne d'une batterie dissipe la puissance. L'électrochimie, les matériaux de construction du conteneur et les dimensions de la batterie influencent cette résistance. De plus, les batteries compactes ont tendance à présenter une résistance interne plus élevée que les batteries plus volumineuses. Les batteries au lithium présentent généralement une résistance interne inférieure à celle des types alcalins, ce qui les rend adaptées aux applications à forte consommation de courant en raison de la dissipation de puissance qui en résulte. Pendant le fonctionnement, la résistance interne d'une batterie varie en fonction du taux et de la profondeur de décharge, de la température et de l'âge de la batterie, entre autres facteurs.

La tension de sortie nominale d'une batterie est déterminée par son électrochimie. Par exemple, une pile alcaline nickel-zinc (NiZn) primaire a une tension nominale de 1,5 volt (V) et une énergie spécifique de 720 kJ/kg (ou 200 wattheures par kilogramme (Wh/kg)). Une batterie lithium-dioxyde de manganèse (LMO) primaire a une tension nominale de 3,0 V et une énergie spécifique de 1008 kJ/kg (280 Wh/kg).

Le zinc-air et l'oxyde d'argent (Ag₂O) sont d'autres électrochimies courantes. Les batteries zinc-air se composent d'une anode en zinc, d'un séparateur en pâte électrolytique et d'une cathode à air ambiant. Ce type de batterie est généralement fourni dans un facteur de forme pile bouton. En raison de sa cathode non métallique, la batterie zinc-air est légère et relativement bon marché. Elle présente une courbe de décharge relativement plate et une tension de sortie nominale de 1,4 V.

Les batteries Ag₂O combinent une cathode en argent et une anode en zinc. Elles affichent une tension de sortie nominale similaire à celle des piles alcalines de 1,55 V, mais ont tendance à être fournies avec une capacité plus élevée et une courbe de décharge plus plate. Ces batteries sont généralement plus sûres et présentent une durée de vie plus longue que les batteries au lithium avec une courbe de décharge similaire.

Le Tableau 1 répertorie les différents types de batteries primaires.

Tableau 1 : Tensions minimales, nominales et maximales, et énergie spécifique pour diverses électrochimies de batteries primaires. (Source de l'image : Analog Devices)

La tension de la batterie diminue avec la décharge. La Figure 1 montre la tension de sortie d'une pile alcaline AA avec une charge de courant constant de 100 milliampères (mA). Une régulation est requise pour garantir que la ou les batteries peuvent fournir une ou plusieurs tensions stables et constantes aux composants du système.

Figure 1 : La tension de la batterie diminue à mesure que l'énergie est consommée. Cet exemple montre la tension de sortie d'une pile alcaline AA sous une charge de courant constant de 100 mA. (Source de l'image : Energizer)

Les batteries pour les systèmes médicaux sont soumises à des normes comme ANSI/AAMI ES 60601-1. Les concepteurs peuvent garantir que leurs batteries présélectionnées répondent aux exigences réglementaires en travaillant avec un fournisseur respecté.

Options de conversion CC/CC pour systèmes médicaux alimentés par batterie

La régulation de tension adapte la sortie de la batterie sélectionnée aux différentes exigences de tensions d'entrée du système. Par exemple, une batterie de 3 V peut fournir 2 V à un circuit et 1,1 V à un autre. La régulation peut également être utilisée pour maintenir une tension fiable constante lorsque la tension de la batterie diminue pendant la décharge.

Il existe deux catégories principales de convertisseurs CC/CC commerciaux pour la régulation de tension : le régulateur à faible chute de tension (LDO) linéaire et le régulateur à découpage. Les LDO sont plus simples mais ont tendance à être moins efficaces et ne peuvent qu'abaisser (réduire) la tension de la batterie. Cependant, un LDO devient plus efficace à mesure que la différence de tension d'entrée et de sortie diminue (le rendement est proportionnel à V_OUT/V_IN). La taille compacte, le prix inférieur et l'absence de bruit d'ondulation de tension inhérent aux régulateurs à découpage sont d'autres avantages des LDO.

Les régulateurs à découpage offrent généralement un rendement plus élevé ; certains types peuvent élever (augmenter) et abaisser la tension de la batterie. Les inconvénients des régulateurs à découpage sont la complexité de la conception, le risque d'interférences électromagnétiques (EMI), le coût et l'empreinte plus importante des circuits imprimés.

(Voir les articles relatifs à la sélection du régulateur adapté à votre application et à la compréhension des avantages et des inconvénients des régulateurs linéaires.)

Un exemple de régulateur abaisseur à découpage haut rendement pour les applications médicales est le MAX38640AENT+ d'Analog Devices. Ce dispositif fonctionne à partir d'une entrée de 1,8 V à 5,5 V et fournit une sortie entre 0,7 V et 3,3 V. Le régulateur supporte des courants de charge de 175 mA, 350 mA ou 700 mA avec des rendements de crête de 96 %. Il offre également un rendement de 88 % à des courants de charge de seulement 10 microampères (µA) (Figure 2). La puce est fournie dans un boîtier WLP à 6 broches compact de 1,42 millimètre (mm) x 0,89 mm, et dans un boîtier µDFN à 6 broches de 2 mm x 2 mm.

Figure 2 : Le MAX38640 démontre un bon rendement sur une large plage de courants de charge, contribuant ainsi à étendre la durée de vie des batteries dans les systèmes médicaux. (Source de l'image : Analog Devices)

Exemple d'application médicale fonctionnant sur batterie

Une électrode d'électrocardiogramme (ECG) avec une durée de fonctionnement souhaitée de cinq jours est un bon exemple d'application. L'électrode est jetable, avec une batterie non remplaçable. Elle dispose d'une connectivité Bluetooth Low Energy (LE) pour transmettre sans fil les données ECG.

L'électrode est basée sur un circuit d'entrée analogique (AFE) ECG MAX30001 et un microcontrôleur (MCU) MAX32655. Elle inclut également un capteur de température MAX30208 et un accéléromètre ADXL367B.

L'application étant une électrode jetable, la batterie doit être bon marché, entièrement scellée, petite et légère. Ces exigences font du facteur de forme de pile bouton un bon choix.

La communication Bluetooth LE du système final et les différents modes de fonctionnement du microcontrôleur MAX32655 exigent des courants élevés, ce qui rend les chimies LMO et Ag₂O appropriées. Le LMO a une tension de sortie nominale de 3,0 V et une énergie spécifique double de celle de l'Ag₂O. Le LMO peut être fourni dans un facteur de forme de pile bouton CR2032 pratique avec une capacité jusqu'à 235 milliampères-heures (mAh). L'Ag₂O a une tension de sortie nominale de 1,55 V et le plus grand facteur de forme de pile bouton disponible est la batterie SR44W d'une capacité de 200 mAh.

Le profil de charge de l'électrode ECG est estimé à environ 45 mAh par jour : 45 x 5 jours = 225 mAh. C'est juste dans la capacité de la batterie LMO de 235 mAh, mais au-delà de celle de la cellule Ag₂O de 200 mAh. La batterie LMO est donc le meilleur choix pour cette application médicale.

Conception du circuit de régulation de tension

Pour la régulation de tension, le concepteur peut utiliser la sortie nominale de 3 V de la batterie LMO comme entrée pour trois régulateurs à découpage abaisseurs MAX38640.

Deux de ces régulateurs peuvent alimenter les entrées analogiques et numériques du MAX30001. Ils requièrent tous les deux une alimentation comprise entre 1,1 V et 2 V, et exigent un courant dans les limites de la capacité du régulateur.

Un autre régulateur MAX38640 alimente le microcontrôleur, le capteur de température et l'accéléromètre. Le microcontrôleur nécessite une entrée de tension minimum de 2 V, le capteur de température a une exigence minimum de 1,7 V et l'accéléromètre a une exigence minimum de 1,1 V. La consommation de courant des trois dispositifs est largement dans les limites de capacité du régulateur. La Figure 3 montre un schéma de la conception de l'alimentation qui étend la durée de vie de la batterie jusqu'à cinq jours.

Figure 3 : Dans la conception d'alimentation électrique d'une électrode ECG avec un microcontrôleur, un capteur de température et un accéléromètre, trois régulateurs à découpage abaisseurs efficaces étendent la durée de vie de la batterie jusqu'à cinq jours. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Plusieurs facteurs influencent le choix d'une batterie pour les dispositifs médicaux. Pour maximiser la durée de vie des batteries et garantir que les circuits intégrés sensibles reçoivent une alimentation en tension stable et exempte de bruit, la sortie de la batterie doit être régulée soit par des LDO, soit par des convertisseurs à découpage. De nombreux modules commerciaux sont disponibles pour chaque catégorie, et la sélection repose avant tout sur un compromis entre rendement, coût et complexité de conception.