Volle Funktion, maximale Lebensdauer
How to: Batterie-Management für medizinische Wearables
Intelligentere Wearables, höherer Stromverbrauch: Effizientes Power-Management wird zur Pflicht. Was moderne Bauelemente, optimierte Batteriechemien und smarte Betriebsmodi für längere Laufzeiten leisten – vom nahtlosen Wechsel zwischen Standby und Aktivmodus bis zur Minimierung von Leckströmen.
Der Markt für medizinische Wearables wächst rapide. Einerseits erhalten immer mehr Geräte die Freigabe der FDA oder nach MDR, um Krankheiten zu diagnostizieren und lebenswichtige Biomarker zu überwachen, andererseits sind immer mehr Anwender aus Lifestyle-Gründen am Erheben persönlicher Daten interessiert. Die aktuell von der FDA geplante regulatorische Erleichterung für "Wellness-Funktionen" wie die Überwachung des eigenen Stoffwechsels, des Stresslevels und der Schlafqualität, unterstützt diesen Trend.
Hersteller medizinischer Wearables arbeiten beständig daran, ihre Geräte kleiner und leichter zu machen, die Batterielebensdauer zu verlängern und intelligentere Features zu bieten. Nicht selten allerdings wiegen die technischen Verbesserungen die Fortschritte auf dem Batteriesektor wieder auf, weshalb Gerätedesigner neue Wege finden müssen, die Batterieenergie effizienter zu nutzen und damit die allgemeine Funktionalität der Wearables zu verbessern.
Die Anforderungen an Medizingeräte sind ungeachtet der Stromversorgungs-Topologie stets die gleichen:
- Geringe Ruhestromaufnahme (IQ) und Shutdown-Funktionen zur Verlängerung der Lagerfähigkeit.
- Hoher Wirkungsgrad, um eine längere Betriebsdauer im aktiven Modus zu erzielen.
- Eignung für dynamische, hohe Spitzenlasten, wie sie während der Funkübertragung auftreten.
Stromsparende Mikrocontroller (MCUs), Edge AI und analoge integrierte Schaltungen sind zwar verfügbar, jedoch lassen sich diese Technologien in einem Design nicht immer einsetzen, ohne das Power-Management zu optimieren. Entscheidend ist, für die jeweilige Anwendung die richtige Stromversorgungs-Architektur zu wählen, um den Wirkungsgrad anzuheben und die Batterielebensdauer zu verlängern.
Der vorliegende Artikel stellt verschiedene Stromversorgungs-Konzepte vor und präsentiert neue Technologien im Bereich der Leistungsschalter, der DC/DC-Wandler und der Akkuladegeräte, mit denen sich eine maximale Batterielebensdauer in Medizingeräten (sowohl in Einweg- als auch in wiederverwendbaren Ausführungen) erreichen lässt. Dies gilt für den Lager- bzw. Versandmodus ebenso wie für den aktiven Betrieb.
Welche Arten von Batterien kommen in medizinischen Wearables zum Einsatz?
Geräte wie Herzraten-Monitore, Mehrparameter-Messpflaster, Blutzucker- und Blutdruck-Überwachungsgeräte, Pulsoximeter, Fitness- und Aktivitätsmonitore sowie Wirkstoffpflaster lassen sich in portabler Ausführung und als Wearable realisieren. Viele dieser Geräte sind als Einwegprodukte konzipiert oder enthalten Batterien, die gewechselt werden müssen. Überdies können zahlreiche moderne Medizin-Wearables mit immer mehr intelligenten Geräten verbunden werden und unterstützen mehrere Protokolle, was den Stromverbrauch ebenfalls erhöht.
Lithium-Mangandioxid-, Alkali- und Lithium-Ionen-Batterien stehen bei Wearables wegen ihrer hohen Energiedichte, ihrer Langlebigkeit und ihrer Wiederaufladbarkeit - ausgenommen Alkali - hoch im Kurs. Jüngste Fortschritte bei neueren Batteriechemien erschließen indes neue Möglichkeiten und Implementierungen. Silber-Zink- und Zink-Luft-Batterien etwa bieten mehr Kapazität im aktiven Modus, während Silberoxid für eine geringe Selbstentladerate von ca. 10 % pro Jahr (oder weniger) sorgt, was die Lagerfähigkeit verbessert.
Neue Möglichkeiten sind auch aus dem Bereich der wiederaufladbaren Batterien (Akkus) zu vermelden. Lithium-Polymer-Akkus etwa ermöglichen flexible Batteriedesigns, die sich an die Form kleiner Wearables anpassen lassen. Außerdem sind Feststoff-Batterien inzwischen so erschwinglich geworden, dass sie sich für Wearables eignen und dort ohne Sicherheitsbedenken hohe Energiedichten und flexible Formgebungen ermöglichen. Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) bleiben weiter populär, wenn es auf Dauerbetrieb, lange Lebensdauer und niedrige Kosten ankommt. Verfügbar sind auch NiMH-Akkus mit niedriger Selbstentladerate.
Ein Trend bei Batterien mit hoher Energiedichte ist es, die Zellenspannungen abzusenken (Tabelle 1). Dies allerdings macht Stromversorgungs-Lösungen erforderlich, die mit hoher Effizienz arbeiten, ohne dass bei Spitzenlast große Reserven verbleiben. Leider ist es eine Tatsache, dass die hohen Spitzenströme, die beispielsweise bei der drahtlosen Datenübertragung oder dem Anlaufen von Motoren entstehen, die Batteriespannung so weit einbrechen lassen können, dass die Unterspannungs-Sperre kritischer ICs anspricht.
| Batterietyp | Zellenspannung (V) | Energiedichte (Wh/l) |
Selbstentladerate (% pro Monat) |
|---|---|---|---|
| LiMnO2 | 3 | 146 | 5..10 % |
| Silberoxid (CR1220) | 1,55 | 262 | <1 % |
| Zink-Luft (10) | 1,4 | 1,225 | 0,2 % |
| LiPo | 3,7 | 90 | 5..10 % |
| NiMH (HR-4U) | 1,2 | 210 | 30 % |
Die jeweils verwendete Batteriechemie muss beim Design sorgfältig ausgewählt werden, wobei jedoch unbedingt die unterschiedlichen Systemanforderungen, Sicherheitsvorschriften und Regelwerke zu beachten sind. Ein Beispiel für eine solche Abwägung ist das Optimieren von Batterien mit unterschiedlichen AC- und DC-Innenwiderständen für Anwendungen, die spezifische Profile mit geringer oder hoher Stromentnahme aufweisen, während gleichzeitig die Selbstentladerate an die zu erwartende Lebensdauer des jeweiligen Geräts angepasst werden muss. Bei Einweg-Wearables etwa ist eine geringe Selbstentladerate wichtiger als bei wiederaufladbaren Geräten.
Optimierter Wechsel zwischen Aktiv- und Standby-Modus bei medizinischen Wearables
Im aktiven Betrieb verbringen medizinische Messpflaster (z. B. für EKG, Temperatur und Blutzucker) jeweils nur kurze Zeit damit, eine Messung vorzunehmen und die Daten zur Übertragung an ein Terminal aufzubereiten. Anschließend wechseln sie wieder in den Schlafmodus. Die Stromentnahme aus der Batterie pendelt bei Messpflastern deshalb schnell zwischen Werten von einigen hundert Nanoampere und dem zweistelligen Milliampere-Bereich, während die aktiven Ströme bei Wirkstoffpflastern mit Motoren und Pumpen sogar noch höher sein können.
Ein solches Szenario ist in Bild 1 zu sehen. Eine sprungförmige Änderung des Laststroms (untere Kurve) bewirkt hier starke Ausschläge der Haupt-Versorgungsspannung (oben). Schwierig wird es immer dann, wenn Systeme, die bei unterschiedlichen Lastströmen effizient arbeiten sollen, auch mit Lastsprüngen binnen weniger Mikrosekunden zurechtkommen müssen.
Bild 2 illustriert die Verwendung des BLE-Mikrocontrollers (Bluetooth Low Energy) CC2340RS von Texas Instruments in Verbindung mit einer Niedervolt-Batterietechnologie in einer Wearable-Anwendung. Da die Eingangsspannung des Bluetooth-LE-Bausteins nur auf 1,7 V absinkt, kann auf einen Aufwärtswandler (Boost Converter) wie den TPS61299 von TI zurückgegriffen werden.
Wenn der Bluetooth-LE-Baustein aus dem Sleep-Modus in ein Übertragungsereignis wechselt, steigen die Lastströme in der Regel steil an, was einen starken Spannungseinbruch auf der Haupt-Versorgungsleitung zur Folge hat. Dies trifft insbesondere auf Batteriechemien mit hohem Reihen-Ersatzwiderstand und hoher Reihen-Ersatzinduktivität zu. Damit diese Einbrüche verkraftet werden, ohne dass in einigen Schaltungsteilen die Unterspannungs-Sperre anspricht, enthalten Bausteine wie der TPS61299 eine schnelle Betriebsarterkennungs-Regelschleife, die die Versorgungsspannung stabilisieren und die Einschwingzeiten für typische BLE-Lasten auf 8 µs reduzieren kann.
In Anwendungen wie Insulinpumpen und Wirkstoffpflastern sind die von den Dosierpumpen erzeugten Lastsprünge möglicherweise zu groß für die traditionellen Kompensationsmethoden. In diesen Fällen sind eher Superkondensatoren in der Lage, schnell die benötigte Energie bereitzustellen. Mit dem TPS61094 bietet TI einen Buck-Boost-Wandler mit 60 nA Ruhestromaufnahme und eingebautem Superkondensator-Management an, der nahtlose Übergänge zwischen Batterie- und Superkondensator-Versorgung ermöglicht.
Abgesehen von der Reaktion auf Lastsprünge kommt es darauf an, über einen Laststrombereich, der mehrere Dekaden umfasst, für einen hohen Wirkungsgrad zu sorgen. Das von TI angebotene Portfolio an DC/DC-Schaltreglern enthält Bausteine, die gezielt auf die spezifischen Herausforderungen von medizinischen Wearables ausgerichtet sind.
Im Pass-through-Modus können Buck-, Boost- und Buck-Boost-Wandler den Verbraucher direkt mit der Batterie verbinden. Dies geschieht zur Steigerung des Wirkungsgrads immer dann, wenn die Eingangsspannung nur wenig von der gewählten Ausgangsspannung abweicht. Geht die Spannung zurück, wechselt der Baustein in den aktiven Modus, in dem es mehrere Betriebsarten gibt. Das intelligente Umschalten zwischen PWM-Betrieb, PFM-Betrieb und Burst-Modus bei zurückgehendem Laststrom trägt dazu bei, den Wirkungsgrad des Gesamtsystems über der Marke von 85 % zu halten – und dies bei Lastströmen, die vom Mikroamperebereich bis in den dreistelligen Milliamperebereich reichen.
Abgesehen vom automatischen Wechsel zwischen PWM- und PFM-Betrieb verfügt der Buck-Wandler TPS62840 von TI über einen 100-%-PWM-Modus mit einem IQ-Wert von nur 120 nA. Damit kann das System auch bei nahezu erschöpfter Batterie noch mit hoher Maximaleffizienz arbeiten.
Eine weitere Möglichkeit zur Lösung des Lastsprung-Problems ist es, den Wirkungsgrad sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Lastströmen zu steigern. Der Buck-Boost-Wandler TPS63900 von TI bietet hierfür zwei programmierbare Spannungen. Zum Beispiel kann der Baustein die Spannung auf 3 V hochsetzen, wenn der CC2340R5 in den aktiven Modus wechselt, sodass der Funkteil effizienter arbeiten kann. Ebenso kann der Wandler die Spannung im Standby-Modus, in dem nur wenige Blöcke des CC2340R5 aktiv sind, auf 1,8 V absenken.
In Tabelle 2 sind die im vorigen Abschnitt erwähnten Bauelemente mit ihrer Stromaufnahme in den einzelnen Betriebsarten aufgelistet.
| Wandlerbauart | Typ | IQ | Shutdown |
|---|---|---|---|
| Boost | TPS61299 | 155 nA | 60 nA |
| Boost plus Superkondensator | TPS61094 | 60 nA | 200 nA |
| Buck | TPS62840 | 60 nA | 25 nA |
| Buck-Boost | TPS63900 | 75 nA | 60 nA |
Verlängerung der Batterielebensdauer durch stromsparenden Versandmodus und intelligente Leistungsschalter
Die meisten medizinischen Wearables sind im verpackten Zustand inaktiv, denn es können Wochen oder gar Monate vergehen, bis sie beim Anwender bzw. Patienten zum Einsatz kommen. Ein spezieller Stromspar-Modus trägt zur Verlängerung der Batterielebensdauer bei, während das Produkt auf dem Weg vom Hersteller zum Konsumenten ist.
In diesem, auch als „Ship Mode" bezeichneten Betriebszustand ist das Gerät hochohmig geschaltet, sodass praktisch kein Strom aus der Batterie entnommen wird. Nur ganz wenige Bauelemente mit extrem niedriger Ruhestromaufnahme sind auch im Ship Mode aktiv, um zu registrieren, wann der aktive Einsatz des Geräts beginnt.
Ein Versandmodus mit minimaler Stromaufnahme trägt auch zum Maximieren der Energie bei, die dem Gerät zu Beginn der aktiven Nutzung zur Verfügung steht. Ganz besondere Bedeutung erlangt dieser Aspekt, wenn das Gerät mit nicht wiederaufladbaren Batterien ausgestattet ist.
Nehmen wir als Beispiel ein Drahtlos-Pflaster mit einer 1,5-V-Silberoxidbatterie, deren Kapazität 150 mAh beträgt. Um im inaktiven Zustand ein Jahr überstehen zu können, kann ein medizinisches Wearable-Gerät mit einem Leistungsschalter versehen werden, der die Stromaufnahme minimiert. Wenn die Bauelemente des Produkts im deaktivierten Zustand rund 1 µA aufnehmen, werden dadurch in einem Jahr mindestens 8,76 mAh (1 µA x 24 Stunden x 365 Tage) des Gesamtbudgets von 150 mAh verbraucht.
Unzureichende Effizienz der Bauelemente könnte somit für etwa 5,84 % der Gesamtverluste der Batterie verantwortlich sein. Ursächlich für solche Effizienzmängel sind möglicherweise die Minimal- und Maximalspezifikationen über den Temperaturbereich, Effizienzverluste infolge der Leistungshalbleiter oder Leckströme in den Funkmodulen.
Leistungsschalter oder ähnliche Bauelemente, deren Shutdown-Ströme teils im Nanoampere-Bereich liegen, können zum Einsparen von Energie über lange Zeiträume dienen. Bei diesen Bausteinen handelt es sich um elektrisch gesteuerte Schalter, mit denen sich die Stromaufnahme eines inaktiven Moduls deutlich absenken lässt (Bild 3).
Ein Leistungsschalter wie der nur 0,8 x 0,8 mm große TPS22916 kann die Stromentnahme aus der Batterie im Shutdown-Modus auf 10 nA absenken. Dieser niedrige Strom hat mit 0,058 % praktisch keine Auswirkungen auf die Batterielebensdauer des deaktivierten Systems (Tabelle 3).
| Energiequelle | Kapazität | Shutdown-Dauer | Shutdown-Strom | Kapazitäts-Verlust | Prozentualer Verlust |
|---|---|---|---|---|---|
| Silberoxid-Batterie (1,5 V) | 150 mAh | 365 Tage | 1 µA | 8,76 mAh | 5,84 % |
| 10 nA | 0,0876 mAh | 0,0584 % |
Befinden sich in einem Produkt mehrere einzeln versorgte Module, können auch mehrere Leistungsschalter genutzt werden, um die verschiedenen Verbraucher bzw. Module einzeln zu deaktivieren. Hierdurch verbessert sich die Fähigkeit der Stromversorgungs-Architektur, den Stromverbrauch genau an den jeweiligen Bedarf anzupassen.
Als weitere integrierte Bauelemente mit niedriger Ruhestromaufnahme sind DC/DC-Wandler mit Shutdown-Funktionalitäten wie etwa True Disconnect zu erwähnen, die durch Minimierung der Leckströme zur Vermeidung von Verlusten im Shutdown-Modus beitragen. Die meisten DC/DC-Wandler bringen es inzwischen auf Shutdown-Ströme von 60 nA oder weniger, was die Auswahl des richtigen Bauelements erleichtert und auch die Kosten senkt, da kein separater Leistungsschalter-IC benötigt wird. Auch wenn nicht immer die Effektivität eines Leistungsschalters erreicht wird, kann die Fähigkeit eines DC/DC-Wandlers, die Funktion des Leistungsschalters mit zu übernehmen, der entscheidende Faktor sein, wenn der Platzbedarf ein wichtiges Kriterium ist.
Wie kommt die Ladung in den Akku?
Das Laden der Akkus medizinischer Wearables ist kein triviales Thema, denn die in solchen Geräten verbauten Akkus müssen klein sein und haben nur eine geringe Kapazität. Die Ladeströme und -profile sind zudem von der Kapazität und Chemie der jeweiligen Batterie abhängig und unterscheiden sich erheblich. Noch komplexer wird es, wenn die Fähigkeit zum kabellosen Laden verlangt wird.
Einerseits sind kurze Ladezeiten wichtig, aber andererseits kommt es darauf an, möglichst viel Energie in den Akku zu bringen. Erreichen lässt sich dies mit bestimmten Techniken wie etwa einem niedrigen Ladeschlussstrom und einer sorgfältigen Überwachung des Ladezustands. Die Ladung eines jeden Batteriezyklus lässt sich maximieren, indem sorgfältig auf solche Bauelemente geachtet wird, die eigens für die jeweilige Anwendung konzipiert sind.
Auch wenn Einweg-Wearables heutzutage sehr verbreitet sind, ist die komfortable Wiederverwendbarkeit von großer Bedeutung für Konsumenten, die das Schnellladen bevorzugen (entweder kabellos oder mit einem einfach anschließbaren Kabel). Ökologische Erwägungen sprechen ebenfalls für den Umstieg auf wiederverwendbare und wiederaufladbare Geräte.
Vorteilhaft bei Ladegeräten ist ein hoher Integrationsgrad. Je nachdem, wieviel Platz eine Applikation bietet und wieviel Leistung sie benötigt, sind unterschiedlich hohe Integrationsgrade möglich. Lademanagement-Lösungen für Wearables, wie etwa die TI-Bausteine BQ25125 (2,5 × 2,5 mm) und BQ25155 (2,0 × 1,6 mm), können durch die Integration verschiedener Power-Lösungen in einen kleinen Chip für eine effiziente Stromentnahme aus dem Akku sorgen.
Nützliche Features wie ein eingebauter Versandmodus sowie DC/DC-Wandler mit niedriger Ruhestromaufnahme sorgen ebenfalls für einen sparsamen Umgang mit der Batterieenergie. Auch die Batterieüberwachung erfolgt bei diesen Bauelementen sehr präzise und kann einen Beitrag zum Design effizienterer Systeme leisten.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Batterielebensdauer von Patientenüberwachungs-Wearables und medizinischen Pflastern zu verlängern. Entscheidend ist die Wahl von Bauelementen, die möglichst wenig Strom verbrauchen, sowie ein effektives Herunterfahren der Systemaktivität, wenn diese nicht gebraucht wird. Nicht zuletzt spielt auch die Stromversorgungs-Architektur eine entscheidende Rolle für das Verlängern der Batterielebensdauer. (uh)
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