의료 기기의 배터리 선택 및 최적화

휴대용 의료 기기에 가장 적합한 배터리를 선택하는 것은 적합한 프로세서, 무선 칩, 플래시 메모리를 선택하는 것만큼 중요합니다. 에너지원을 잘못 선택하면 잘 설계된 제품의 성능이 심각하게 저하될 수 있습니다.

모든 유형의 배터리 전압은 충전, 부하, 온도와 같은 파라미터에 따라 달라지므로 부하에 안정적이고 일정한 전압을 보장하도록 조절해야 합니다.

이 기사에서는 의료 기기에 적합한 배터리 화학 물질에 대해 간략히 설명합니다. 그런 다음 Analog Devices의 전압 조정 옵션을 소개하고 실제 응용 제품을 사용하여 어떻게 적용되는지 보여 줍니다.

배터리 특성 이해

의료용 제품용 배터리 선택에 영향을 주는 파라미터는 다음과 같습니다.

• 1차 또는 2차(충전식) 배터리 요구 사항
• 배터리 크기, 전압, 내부 저항, 용량, 비에너지
• 배터리 전기화학
• 관련 규정

1차 배터리는 2차 배터리보다 자기 방전 전류가 낮습니다. 따라서 사용 간격이 긴 시스템에 더 적합합니다. 단점은 방전된 전지를 교체하고 폐기해야 한다는 것입니다.

2차 배터리는 상대적으로 전류 소모량이 높은 응용 분야에 더 적합합니다. 일반적으로 1차 배터리보다 더 비싸고 충전 회로를 통합해야 하므로 시스템 복잡성이 증가합니다.

시스템 크기는 배터리의 물리적 크기 제한을 결정하는 데 도움이 되며, 목표 배터리 수명과 시스템 평균 전류 소모량은 필요한 용량을 결정하는 데 도움이 됩니다. 비에너지(kJ/kg)가 높을수록 지정된 에너지 저장용 배터리의 무게가 가벼워집니다.

배터리의 내부 저항은 전력을 소산시킵니다. 전기화학, 케이스 구성 재료 및 배터리 크기가 이 저항에 영향을 미칩니다. 또한 배터리가 작을수록 내부 저항이 커지는 경향이 있습니다. 리튬 배터리는 일반적으로 알카라인 유형보다 내부 저항이 낮아서 내전력이 작으므로 전력 소모가 높은 응용 분야에 적합합니다. 작동 중 배터리의 내부 저항은 방전 속도와 깊이, 온도, 배터리 사용 기간 등 여러 요인에 따라 달라집니다.

배터리의 공칭 출력 전압은 전기화학에 의해 결정됩니다. 예를 들어 1차 니켈 아연(NiZn) 알카라인 배터리의 공칭 전압은 1.5V이고 비에너지는 720kJ/kg(또는 200Wh/kg)입니다. 1차 리튬 이산화망간(LMO) 배터리의 공칭 전압은 3.0V이고 비에너지는 1008kJ/kg(280Wh/kg)입니다.

아연 공기 및 산화은(Ag₂O)은 다른 일반적인 전기화학 물질입니다. 아연 공기 배터리는 아연 양극, 전해 페이스트 분리기, 주변 공기 음극으로 구성됩니다. 이 유형은 일반적으로 동전형 전지 폼 팩터로 제공됩니다. 아연 공기 배터리는 비금속 음극을 사용하기 때문에 가볍고 비교적 저렴합니다. 이 배터리는 방전 곡선이 비교적 평평하고 1.4V의 공칭 출력 전압을 제공합니다.

Ag₂O 배터리는 은 음극과 아연 양극을 결합합니다. 공칭 출력 전압은 알카라인 배터리의 1.55V와 비슷하지만, 용량이 더 크고 방전 곡선이 더 평평한 경향이 있습니다. 이 배터리는 일반적으로 방전 곡선이 비슷한 리튬 배터리보다 더 안전하고 수명이 깁니다.

표 1에는 다양한 유형의 1차 배터리가 요약되어 있습니다.

표 1: 다양한 1차 배터리 전기화학에 대한 최소 전압, 공칭 전압, 최대 전압 및 비에너지를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

배터리 전압은 방전에 따라 감소합니다. 그림 1은 정전류 부하가 100mA인 AA 알카라인 배터리의 출력 전압을 보여줍니다. 하나 이상의 배터리로 시스템 부품에 일관되게 안정적인 전압을 공급하려면 조정이 필요합니다.

그림 1: 배터리 전압은 에너지가 소모될수록 감소합니다. 이 예에서는 100mA 정전류 부하에서 AA 알카라인 배터리의 출력 전압을 보여줍니다. (이미지 출처: Energizer)

의료 시스템용 배터리에는 표준(예: ANSI/AAMI ES 60601-1)이 적용됩니다. 설계자는 공신력 있는 제조업체와 협력하여 최종 목록에 등록된 배터리가 규제 요건을 충족하는지 확인할 수 있습니다.

의료용 배터리 구동 시스템을 위한 DC/DC 변환 옵션

전압 조정에서는 선택한 배터리의 출력을 다양한 시스템 입력 전압 요구 사항에 맞게 조정합니다. 예를 들어 3V 배터리로 한 회로에는 2V를, 다른 회로에는 1.1V 전압을 공급해야 할 수 있습니다. 방전 중 배터리 전압이 감소하더라도 안정적이고 일정한 전압을 유지하도록 조정해야 할 수도 있습니다.

전압 조정을 위한 상용 DC/DC 컨버터에는 크게 선형 저 드롭아웃(LDO) 조정기와 스위칭 조정기의 두 종류가 있습니다. LDO는 더 간단하지만 효율성이 낮고 배터리 전압을 강압(벅)할 수만 있습니다. 하지만 입력 전압과 출력 전압의 차이가 감소할수록 LDO의 효율이 높아집니다(효율은 V_OUT/V_IN에 비례함). 콤팩트한 크기, 낮은 가격, 스위칭 조정기 고유의 전압 리플 잡음이 없는 것도 LDO의 또 다른 장점입니다.

스위칭 조정기는 일반적으로 더 높은 효율을 제공하며, 일부 유형은 배터리 전압을 승압(부스트) 및 강압(벅)할 수 있습니다. 스위칭 조정기의 단점은 설계 복잡성, 전자파 장해(EMI) 가능성, 비용 및 큰 인쇄 회로 기판(PC 기판) 실장 면적입니다.

('응용 분야에 적합한 조정기 선택' 및 '선형 조정기의 장점과 단점 이해' 참조)

의료 응용 분야에 매우 효율적인 스위칭 벅 조정기의 한 예로 Analog Devices의 MAX38640AENT+가 있습니다. 이 장치는 1.8V ~ 5.5V 입력에서 작동하고 0.7V ~ 3.3V 출력을 제공합니다. 이 조정기는 최고 효율 96%로 175mA, 350mA 또는 700mA의 부하 전류를 지원합니다. 또한 최저 10µA 부하 전류에서 88% 효율을 제공합니다(그림 2). 이 칩은 소형 1.42mm x 0.89mm, 6핀 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)와 2mm x 2mm, 6핀 µDFN 패키지로 공급됩니다.

그림 2: MAX38640은 넓은 부하 전류 범위에서 우수한 효율성을 입증하여 의료 시스템의 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

배터리 의료 응용 제품의 예

원하는 실행 시간이 5일인 심전계(ECG) 흉부 패치가 응용 제품의 좋은 예입니다. 이 패치는 일회용이고 교체 불가능한 배터리로 구동되며, Bluetooth 저에너지(LE) 연결을 통해 ECG 데이터를 무선으로 전송할 수 있습니다.

이 패치는 MAX30001 ECG AFE(아날로그 프런트 엔드) 및 MAX32655 MCU(마이크로 컨트롤러 장치)를 기반으로 합니다. 또한 MAX30208 온도 센서와 ADXL367B 가속도계를 갖추고 있습니다.

이 응용 제품은 일회용 패치이므로 배터리는 저렴하고 완전히 밀봉되며 작고 가벼워야 합니다. 이러한 요구 사항으로 인해 동전형 전지 폼 팩터를 선택하는 것이 좋습니다.

최종 시스템의 Bluetooth LE 통신과 MAX32655 MCU의 다양한 작동 모드에는 많은 전류가 필요하므로 LMO 및 Ag₂O가 적합한 화학 물질입니다. LMO의 공칭 출력 전압은 3.0V이고 비에너지는 Ag₂O의 두 배입니다. LMO는 최대 235mAh 용량의 편리한 CR2032 동전형 전지 폼 팩터로 공급될 수 있습니다. Ag₂O의 공칭 출력 전압은 1.55V이고, 가장 큰 동전형 전지 폼 팩터는 용량이 200mAh인 SR44W 배터리입니다.

ECG 흉부 패치의 부하 프로파일은 하루에 약 45mAh로 추정됩니다(45 x 5일 = 225mAh). 이는 235mAh LMO 배터리 용량에는 미치지 못하지만 200mAh Ag₂O 전지의 용량을 초과하는 수준입니다. 따라서 LMO 배터리는 이 의료용 응용 분야에 가장 적합한 선택 옵션입니다.

전압 조정 회로 설계

전압 조정을 위해 설계자는 LMO 배터리의 공칭 3V 출력을 세 MAX38640 벅 스위칭 조정기에 대한 입력으로 사용할 수 있습니다.

이 조정기 중 두 개는 MAX30001의 아날로그 입력과 디지털 입력을 공급할 수 있습니다. 둘 다 1.1V ~ 2V 사이의 전압을 공급하고 조정기의 용량 범위 내에서 전류를 소비해야 합니다.

또 다른 MAX38640 조정기는 MCU, 온도 센서 및 가속도계를 공급합니다. 최소 입력 전압 요구 사항의 경우 MCU는 2V, 온도 센서는 1.7V, 가속도계는 1.1V입니다. 세 장치의 전류 소모량은 모두 조정기의 용량 범위 내에 있습니다. 그림 3은 배터리 수명을 5일로 연장하는 전원 공급 장치 설계의 회로도를 보여줍니다.

그림 3: MCU, 온도 센서 및 가속도계가 포함된 ECG 패치용 전원 공급 장치 설계에서 3개의 효율적인 벅 스위칭 조정기는 배터리 수명을 5일로 늘립니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

의료 기기용 배터리 선택에는 다양한 요인이 영향을 미칩니다. 배터리 수명을 극대화하고 민감한 IC에 안정적이고 잡음 없는 전압을 공급하려면 LDO 또는 스위칭 컨버터로 배터리 출력을 조정해야 합니다. 종류별로 많은 상용 모듈을 사용할 수 있으며, 주로 효율성, 비용, 설계 복잡성 간의 트레이드 오프를 고려하여 선택하게 됩니다.