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Medizinelektronik Medizinische Wearables: Worauf beim Design der Stromversorgung zu achten ist

Die Batterielebensdauer eines Wearables oder portablen Sensors für das Patientenmonitoring ist eine kritische Größe. Mit dem Design der Stromversorgung kann der Entwickler hier justieren.

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Das Design einer Stromversorgung für tragbare Geräte (Wearables) im medizinischen Einsatz ist nicht trivial. Wir zeigen, worauf Entwickler achten sollten.
Das Design einer Stromversorgung für tragbare Geräte (Wearables) im medizinischen Einsatz ist nicht trivial. Wir zeigen, worauf Entwickler achten sollten.
(Bild: ©WrightStudio, ©vegefox.com - stock.adobe.com; [M]Haselmann)

Tragbare Elektronik, auch als Wearable bekannt, muss zwei Eigenschaften bieten: dank ihrer kompakten Abmessungen lassen sie sich bequem tragen und sie verfügen wegen der verwendeten Akkutechnik über eine lange Betriebszeit. Wird ein Wearable als Medizinprodukt verwendet, dann lassen sich nicht nur Vitalparameter messen, sondern das Gerät lässt sich auch als persönliches Notfallmanagement-System einsetzen. Ein Wearable-Gerät ist batteriebetrieben. Aus diesem Grund ist die Batterielebensdauer ein wichtiges Kriterium beim Kauf. Denn Mess- und Überwachungsfunktionen sollten nicht unterbrochen werden.

Den Energiebedarf tragbarer Geräte senken

Ein batteriebetriebenes Wearable sollte neben einer entsprechenden Stromversorgung auch bei der Raumausnutzung punkten. Mehr Funktionen auf kleinstem Raum und eine über längere Zeit effiziente Stromversorgung. Betriebsarten wie Standby, Sleep, Power Save, Hibernate und Shutdown spielen für die Designer eine Schlüsselrolle, um den Energiebedarf der tragbaren Geräte zu senken und damit die Batterielebensdauer zu erhöhen.

Es gibt zwar durchaus stromsparende Mikrocontroller (MCUs) und analoge integrierte Schaltungen, aber es dürfte kaum möglich sein, die Mehrzahl der aktuellen Techniken in einem Design zu nutzen, ohne das Power-Management optimal zu gestalten. Dabei ist es wichtig, die passende Architektur für die Stromversorgung zu finden. Der Beitrag stellt verschiedene Stromversorgungs-Ansätze vor, mit denen sich die Batterielebensdauer von Wearables verlängern lässt.

Geräte wie Herzfrequenz-, Blutzucker- und Blutdruckmesser, Multiparameter-Pflaster und Pulsoximeter sowie Fitness- und Aktivitätsmonitore lassen sich als Wearable bauen. Viele der genannten Geräte sind als Einweg-Produkte konzipiert oder mit auswechselbaren Batterien bestückt. Durch ihre Anbindung an intelligente Geräte wächst allerdings ihr Energiebedarf. Nicht wiederaufladbare Primärbatterien beispielsweise vom Typ CR2032 oder CR3032 reichen hier unter Umständen nicht aus.

Batterien für medizinische Anwendungen

Hier kommen Akkus ins Spiel: Lithium-Ionen, Lithium-Polymer, Nickel-Metallhydrid, Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Mangan und Zink sind populäre Batterien für medizinische Anwendungen. Jede dieser Varianten benötigt ihre eigene Ladeschaltung. Wichtig ist bei Akkus die Selbstentladerate. Um den insgesamt entstehenden Bauteileaufwand zu senken, können Designer Funkmodule und andere Peripheriefunktionen direkt aus dem Akku speisen, jedoch führt der Betrieb unmittelbar an der Akkuspannung nicht unbedingt zu einer besonders effizienten Nutzung der Batterieenergie.

Das Laden der Akkus eines Wearables ist nicht unkritisch, weil die Akkus klein und von geringer Kapazität sind. Abhängig davon, ob es sich um einen Akku mit 50, 100 oder 200 mAh handelt und ob mit einer Rate von 0,5, 1 oder 2 C geladen wird, variieren die Ladeströme erheblich. Es kommt darauf an, im Design einen programmierbaren Schnelllademodus mit höherem Strom vorzusehen. Wichtig ist nicht nur die Ladezeit möglichst kurzzuhalten, sondern viel elektrische Energie in den Akku zu bekommen. Der Strom muss präzise eingehalten werden und auch bei niedriger Stromstärke muss das Laden zuverlässig beendet werden.

Bild 1: Die Vorteile eines niedrigeren Stroms bei Ladeschluss.
Bild 1: Die Vorteile eines niedrigeren Stroms bei Ladeschluss.
(Bild: Texas Instruments)

In [1] findet sich das Beispiel einer Ladeschaltung mit sehr niedrigen Ladeende- und Ruheströmen. Das Bild 1 zeigt, wie sich die Batteriekapazität um 2 mAh (rund 5%) steigern lässt, indem der Ladeschluss-Strom auf 1 mA herabgesetzt wird. Die Anzahl der Zellen kann je nach Anwendung unterschiedlich sein, denn die Ladeschaltung lässt sich entsprechend anpassen.

Abwärts-, Aufwärts- oder Abwärts/Aufwärts-Wandler

Ist ein Wearable mit einem Funkmodul aus der Familie CC254x von Texas Instruments ausgestattet, so lassen sich diese mit Spannungen von 2,0 bis 3,6 V betreiben, die intern meist mithilfe eines Low-Dropout-Reglers (LDO) auf 1,8 V herabgesetzt wird. In Systemen mit hoher Versorgungsspannung geht somit ein großer Teil der Energie in den LDOs verloren. Die Spannung lässt sich mit einem externen Gleichspannungswandler auf 2 V verringern, um die Effizienz des Gesamtsystems zu verbessern.

Bild 2: Gesteigerte Effizienz und reduzierter Batteriestrom mit dem Baustein TPS62730 von Texas Instruments.
Bild 2: Gesteigerte Effizienz und reduzierter Batteriestrom mit dem Baustein TPS62730 von Texas Instruments.
(Bild: Texas Instruments)

Ein DC/DC-Wandler wie der TPS62730 verringert die Eingangsspannung von 3,9 V auf die gewünschte Spannung von 1,9 V. (In [2] ist 2,2 V der Grenzwert, oberhalb dessen die Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers keinen Einfluss auf die HF-Performance des CC254x hat). Fällt die Versorgungsspannung des Wandlers unter 2,2 V, wechselt der Baustein automatisch in den Bypass-Modus, in dem sein Ausgang direkt mit der Batterie verbunden wird. Es reduziert sich die Stromaufnahme im aktiven Modus und die Batterielebensdauer steigt. Das Bild 2 zeigt den geringeren Batteriestrom. Sollte vonseiten des Mikrocontrollers kein Pin angesteuert werden können, kommen andere Abwärtswandler mit einer sehr niedrigen Ruhestromaufnahme (TPS62743 oder TPS62740) infrage.

Bild 3: Das Blockschaltbild eines Pflasters zur Abgabe von Insulin.
Bild 3: Das Blockschaltbild eines Pflasters zur Abgabe von Insulin.
(Bild: Texas Instruments)

Für Patientenmonitore, welche die Herzrate und die Sauerstoffsättigung (SpO2)messen, enthalten LED-Treiber zum Ansteuern von LEDs in den Farben Grün, Rot und Infrarot. Abhängig von der Vorwärtsspannung der jeweiligen LEDs muss die Versorgungsspannung des verwendeten Treibers größer als die Spannung der Knopfzelle mit 3 V sein. Um das sicherzustellen, eignet sich ein Aufwärtswandler mit sehr niedriger Ruhestromaufnahme (IQ). Dank ihrer integrierten Injektionsnadel werden Insulinpumpen immer kompakter, allerdings ist der Laststrom bei solchen integrierten Anwendungen möglicherweise recht hoch, da neben der Pumpe selbst auch die Interfaceschaltungen für die Injektionsnadel angesteuert werden müssen. Ein Aufwärtswandler wie der TPS610981 lässt sich direkt an der Batterie betreiben und besitzt einen sehr niedrigen (IQ)-Wert, was zur einwandfreien Funktion der Pumpe beitragen kann (Bild 3).

Die Vorteile eines Abwärts/Aufwärts-Wandlers

Ein Abwärts- /Aufwärtswandler bietet gerade in kleinen batteriebetriebenen Anwendungen einen weiteren technischen Vorteil gegenüber reinen Abwärts- oder Aufwärtswandlern. In Wearables wird keine Versorgungsspannung von mehr als 3 V benötigt, sodass auf einen Aufwärtswandler verzichtet werden kann. MCUs und Funk-Bausteine erfordern oftmals eine niedrige Spannung, sodass ein Abwärtswandler als die richtige Wahl erscheint, bis alle Aspekte des Designs berücksichtigt sind.

Wird mit einem pulsierenden Lastprofil-Strom aus der Batterie entnommen, kann die Batteriespannung kurzzeitig unter die erforderliche Ausgangsspannung absinken. Das kann Instabilitäten in der Regelung hervorrufen, sodass die Spannung unter den vom Hersteller spezifizierten Mindestwert sinkt. Der Spannungseinbruch an der Batterie kommt besonders gegen Ende der Lebensdauer zum Tragen, weil der Innenwiderstand der Batterie mit der Zeit zunimmt.

Der Abwärts/Aufwärtswandler liefert eine Ausgangsspannung liefern, die höher ist als die Eingangsspannung. Damit stellt das Bauteil bei pulsierenden Laststrom-Profilen und hohen Batterie-Innenwiderständen eine präzise geregelte Ausgangsspannung zur Verfügung. Im Gegensatz zu einem reinen Abwärtswandler ist der Einsatz eines Abwärts/Aufwärtswandler in den Designs für Batterie und Stromversorgung die größere Flexibilität.

Geringe Dropout-Spannung erhöht Wirkungsgrad

Generell herrscht die Auffassung vor, dass sich mit geschalteten Reglern oder Wandlern eine hocheffiziente Stromversorgung realisieren lässt, während LDOs einen geringen Wirkungsgrad bieten. Allerdings haben sich die Topologien der LDOs mittlerweile geändert, sodass diese Bausteine auf sehr geringe Dropout-Spannungen kommen. Ein LILO-LDO (Low Input Low Output) enthält einen NMOS-Längstransistor und eine Bias-Spannung, um eine niedrige Dropout-Spannung zu erreichen. Infolge dieser Topologie steht eine höhere Spannung zur Verfügung, um die Bias-Leitung zu speisen und den Großteil der internen Schaltungen des LDO mit Strom zu versorgen, sodass der LDO mit niedrigeren Eingangsspannungen betrieben werden kann.

Die geringeren Dropout-Spannungen ermöglichen eine Wirkungsgradsteigerung, die mit jener von Schaltnetzteilen vergleichbar ist. In portabler Elektronik kommen häufig LDO-gespeiste Sensoren zum Einsatz, weil ein Schaltwandler zu viel Rauschen erzeugt. Designer können beim Einsatz von LDOs mit niedriger Ruhestromaufnahme davon ausgehen, dass sich die Batterielebensdauer des Systems bei gepulster Last erhöht. Das ist allerdings möglicherweise nicht die effizienteste Lösung, da eine hohe Verlustleistung bei aktiver Last den Wirkungsgrad drastisch einbrechen lassen kann.

Eine Stromversorgung konfigurieren

Bild 4: Vergleich zwischen Low-IQ-LDO und LILO-LDO.
Bild 4: Vergleich zwischen Low-IQ-LDO und LILO-LDO.
(Bild: Texas Instruments)

Es gibt zwei gängige Stromversorgungs-Konfigurationen, um ein portables System zu implementieren. Ein Ansatz nutzt einen generischen LDO mit niedrigem IQ-Wert, der andere einen LILO-LDO mit geringem IQ. Vergleicht man die Leistungsaufnahmen der beiden unterschiedlichen Varianten, so sieht man, dass der generische LDO 2,7 mW aufnimmt, während es beim LILO-LDO 1,8 mW sind (Tabelle 1). Mit dem LILO-LDO hat sich der Wirkungsgrad von 55 auf 82% erhöht, obwohl die Ruhestromaufnahme insgesamt beim LILO-LDO höher ist. Der Einsatz von LILO-LDOs in batteriebetriebenen Anwendungen bietet einen klaren Vorteil, wenn die Batterielebensdauer und der Wirkungsgrad die wichtigsten Kriterien sind.

Tabelle 1: Effizienzberechnungen.
Tabelle 1: Effizienzberechnungen.
(Bild: Texas Instruments)

Nachdem das Frontend des Leistungspfads des Akkuladers sowie die zwischengeschalteten Gleichspannungswandler und LDOs optimiert sind, gibt es noch die Möglichkeit, einen Lastschalter zum Absenken des Shutdown-Stroms beliebiger Verbraucher zu verwenden. Schließlich kann ein Funkmodul im Deep-Sleep- oder Hibernate-Modus immer noch einen Strom von über 10 µA aufnehmen. Mit einem Lastschalter lässt sich dieser Strom auf nur mehr 10 nA reduzieren.

Bild 5: Der Shutdown-Strom wird über einen zusätzlichen Lastschalter mit niedrigem Leckstrom gesenkt.
Bild 5: Der Shutdown-Strom wird über einen zusätzlichen Lastschalter mit niedrigem Leckstrom gesenkt.
(Bild: Texas Instruments)

Der Lastschalter verringert den Leckstrom

Tabelle 2: Prozentuale Einbuße an Akkukapazität bei Einsatz eines Lastschalters.
Tabelle 2: Prozentuale Einbuße an Akkukapazität bei Einsatz eines Lastschalters.
(Bild: Texas Instruments)

Ein Beispiel: Ein mit Bluetooth Low Energy drahtlos kommunizierendes Pflaster wird durch einen herkömmlichen Li-Ion-Akku mit 4,2 V und einer Kapazität von 100 mAh versorgt. Damit eine Akkuladung mindestens sieben Tage hält, können verschiedene Vitalzeichen-Sensoren ständig eingeschaltet bleiben, während sich das Funkmodul abschalten lässt. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, beansprucht das Funkmodul mit seiner Stromaufnahme von 10 µA im deaktivierten Zustand mindestens 10 µA x 24 Stunden x 7 Tage = 1,68 mAh des Gesamtbudgets von 100 mAh, das entspricht also 1,68% der gesamten Akkukapazität. Hinzu kommen weitere Verluste die bedingt sind durch die Minimal- und Maximal-Kenndaten über die Temperatur, Effizienzeinbußen durch die Stromversorgungs-Bauteile sowie weitere Funkmodule mit ihren Leckströmen.

Mit dem Einsatz eines Lastschalters verringert sich der Leckstrom im Shutdown-Zustand auf 10 nA. Das Funkmodul hat somit im deaktivierten Zustand praktisch keine Auswirkungen (0,00168%) mehr auf die Akkulaufzeit des Systems.

Fazit: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Lebensdauer einer Batterie in einem Wearable für die Patientenüberwachung und von medizinischen Pflastern zu erhöhen. Entscheidend für eine lange Batterielebensdauer ist eine möglichst weite Absenkung der Stromaufnahme, indem die Systemaktivität bei Nichtgebrauch reduziert wird.

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