Элементы питания компании Murata

В современном обществе происходят непрерывные изменения, падает уровень рождаемости, появляются новые методы лечения, меняется рабочая среда сотрудников (например, доступна удаленная работа). Для адаптации к таким общественным переменам государство проводит реформы, направленные на улучшение медицинского обслуживания.

Благодаря расширению облачных сервисов и быстрому развитию мобильных устройств просматривается возможность развития информационных и коммуникационных технологий (ICT) на основе больших данных (big data). Такие технологии позволили бы достичь нового уровня медицинского обслуживания и создать эффективные и высококачественные медицинские сервисы и услуги. Сбор данных подобного уровня даст возможность улучшить качество жизни пожилых людей и увеличить ее срок.

Сетевые тренды в медицинской технике

Уже сегодня большинство медицинских устройств объединено в проводную LAN-сеть благодаря цифровому формату их данных. Следующий этап развития — добавление в устройства возможность хранения информации во внешних блоках памяти, например в SD-картах. Последний шаг — внедрение полностью мобильных приборов с беспроводным доступом к сети. Ключевым требованием таких мобильных медицинских устройств является разработка малогабаритных аккумуляторов с увеличенным сроком службы и стабильностью системы (горячая замена, установка, удаление или замена батарейки с восстановлением рабочего статуса после подключения питания).

Статья фокусирует внимание на организации резервного питания при пиковом потреблении и резервном копировании в мобильных медицинских устройствах.

Резервное питание при пиковом потреблении

Несмотря на малые габариты и толщину, суперконденсаторы Murata серий DMT/DMF считаются лидером рынка по плотности мощности. Они позволяют поддерживать питание при пиковых нагрузках, особенно для функционала, который находится под постоянной нагрузкой (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема распределения нагрузки в устройстве с батарейным питанием

Путем простого параллельного использования суперконденсаторов с первичными аккумуляторами (рис. 2) можно повысить уровень отдачи мощности (тока) при пиковых нагрузках (рис. 3), что позволит избежать просадок напряжения.

Рис. 2. Резервное питание от суперконденсаторов

Это улучшит качество и производительность медицинских устройств.

Рис. 3. Распределение нагрузки с помощью суперконденсаторов

Приведем два примера выравнивания напряжения питания для иллюстрации применения суперконденсаторов в медицинской технике. Первый пример — активация функции памяти монитора и SD-карты портативного устройства. Второй пример — активация функции беспроводного сетевого соединения с медицинским прибором.

На рис. 4 представлен пример выравнивания пиковой нагрузки (где источником питания устройства служит батарея).

Рис. 4. Динамика изменения нагрузки на источник питания при использовании дисплея и SD-карты

На рис. 5 показано сравнение результатов двух экспериментов: в первом случае при активации монитора и SD-карты использовалось только батарейное питание, во втором — для поддержки пиковых нагрузок применялись дополнительные суперконденсаторы.

Рис. 5. Результаты сравнения условий по нагрузке, приведенных на рис. 4:
а) только батарея;
б) батарея с суперконденсаторами

Суперконденсаторы Murata DMT/DMF позволяют выровнять выходное напряжение питания для эффективного использования заряда первичной батареи, благодаря чему ее можно эксплуатировать до полного разряда (рис. 6).

Рис. 6. Нагрузка при беспроводной передаче данных

На рис. 7 показано сравнение двух тестов: активации функции беспроводной сети мобильного устройства с батарейным питанием и при поддержке основного питания дополнительными суперконденсаторами.

Рис. 7. Сравнение результатов двух тестов: а) только батарея; б) батарея с суперконденсаторами

Как видно из примеров, суперконденсаторы Murata выравнивают выходное напряжение для стабилизации работы медицинского устройства. Благодаря способности выравнивать напряжение под нагрузкой компоненты Murata улучшают рабочие параметры прибора, стабилизируют его действие и эффективно распределяют заряд основной батареи питания.

В таблице 1 приведена линейка суперконденсаторов производства Murata. Серия DMT предназначена для использования в диапазоне рабочих температур до +85 °C и является решением для общего применения с долгим сроком службы. Серия DMF представлена суперконденсаторами с низким последовательным сопротивлением (ESR) для выравнивания пролонгированных пиков нагрузки.

Резервное питание для медицинских приборов

Линейка компонентов резервного питания Murata представлена еще одной серией — это миниатюрные аккумуляторы Murata серии UMA (производитель называет их small energy devices, буквально: «устройства малой энергии»).

Рис. 8. Габаритные размеры ионисторов

UMA — заряжаемые аккумуляторы высокой мощности в миниатюрном корпусе. Они имеют превосходные характеристики разряда/разряда, низкое ESR, выдерживают колебания нагрузки и могут использоваться как вторичные аккумуляторы аналогично конденсаторам. Аккумуляторы служат в качестве источника питания в портативных устройствах или сенсорных узлах беспроводных сетей (рис. 9). Они поддерживают ровный график потребления напряжения вне зависимости от колебаний нагрузки.

Рис. 9. Схема применения UMA-аккумуляторов в портативном оборудовании

UMA-аккумуляторы считаются литий-ионными батареями, однако они не имеют теплового порога и не взрываются при перегреве. Это преимущество связано с новым материалом — титанатом лития. Традиционно для положительного электрода используется оксид лития-кобальта (III), а отрицательный электрод производится из графита. Благодаря применению более качественного и надежного материала небольшие ионисторы Murata предоставляют возможности, которые не обеспечивает стандартная литий-ионная батарейка, — высокую скорость заряда и разряда, долгий срок эксплуатации и безопасность без теплового разгона. Таким образом, ионисторы Murata действуют в качестве резервного источника питания для поддержки работы портативных медицинских устройств.

Использование титаната лития (LTO) для материала отрицательного электрода обеспечивает заявленные свойства по безопасному применению аккумуляторов Murata. Несмотря на то, что титанат лития — проводящий материал, он поглощает ионы лития и становится изолятором, когда они высвобождаются в процессе электрического разряда. Когда возникает внутреннее короткое замыкание, ток течет через точку замыкания. Хотя ионы лития высвобождаются при разрядке, контакт замыкания становится непроводящим и ток подавляется. Это предотвращает нагрев и переход в критическое состояние. Кроме того, титанат лития сам по себе является негорючим материалом.

В таблице 2 приведены различия параметров разряда/заряда обычной литий-ионной батарейки и UMA-аккумулятора.

Из параметров видно, что защиту по максимальному напряжению необходимо устанавливать на уровень 2,7 В, а защиту от пониженного напряжения — на 1,8 В. Аккумуляторы практически не имеют ограничения по току зарядки, однако полная зарядка возможна только постоянным напряжением [1].

На рис. 10 дана зависимость между напряжением заряда и степенью зарядки. Поскольку номинальное напряжение для UMA-компонентов равно 2,3 В, то защиту от повышенного напряжения лучше установить на уровне 2,3, а не 2,7 В. Степень зарядки зависит от напряжения, и аккумуляторы могут выйти на номинальную емкость при 2,7 и разряжаться при 1,8 В. При заряде на уровне 2,4 и разрядке до 1,8 В емкость аккумулятора составит 70% от номинальной. При заряде на 2,5 В — 90%.

Рис. 10. Зависимость между напряжением заряда и степенью зарядки

На рис. 11 представлен график разряда аккумуляторов UMA, имеющих пологую характеристику разрядки на уровне 2,3 В. Производитель рекомендует установить защиту от низкого напряжения на уровне 2,2 — выше, чем 1,8 В. Номинальная емкость составит диапазон между 2,7 и 1,8 В, около 90% емкости при диапазоне 2,7 и 2,2 В.

Рис. 11. График разряда аккумуляторов UMA

В таблице 3 приведены технические параметры для аккумуляторов цилиндрического типа (UMAC) и плоского типа (UMAL).

При замене батарейки в портативном приборе элементы резервного питания должны поддерживать устройство в рабочем состоянии и не допустить его выключения или перехода операционной системы в режим глубокого сна. Перезагрузка устройства является слишком большой потерей времени для медицинского оборудования. Уровень емкости аккумуляторов UMA чересчур мал для поддержания рабочего состояния прибора в случае аварийного отключения питания (например, падения прибора и выпадения батарейки) или в процессе замены элемента питания. Небольшие литий-ионные батареи не могут обеспечить питание, необходимое для поддержки функционирования, кроме того, они имеют короткий срок службы.

Миниатюрные аккумуляторы Murata превосходят все существующие аналоги для обеспечения резервного питания по всем основным рабочим параметрам: времени обеспечения резервного питания, выходной мощности, сроку службы (их емкость не уменьшается даже после 5000 циклов полной зарядки с предшествующей 50%-ной разрядкой компонента), что показано на рис. 12.

Рис. 12. Зависимость емкости миниатюрных аккумуляторов Murata от циклов полной зарядки

Таким образом, энергетические компоненты UMA Murata служат как компоненты хранения резервного питания для портативных медицинских устройств. В таблице 4 показаны параметры сравнения.

Суммируем основные преимущества аккумуляторов серии UMA:

1. Долгий срок эксплуатации без обслуживания.
2. Малые потери (низкая утечка).
3. Высокий коэффициент разрядки для прямого управления RF-функциями.
4. Быстрая готовность к работе после установки (начало зарядки).

Благодаря применению нового материала в конструкции аккумулятора напряжение зарядки и критическое напряжение разрядки отличаются от традиционных литий-ионных батарей. Существует линейка специализированных микросхем для контроля состояния заряда/разряда UMA-аккумуляторов для поддержания их в необходимом диапазоне. Такие микросхемы должны быть оснащены двумя функциями:

1. MPPT/MPPC (maximum power tracking/control) — контроль и отслеживание максимальной мощности. Вольт-амперная характеристика на выходе фотовольтаической (фотоэлектрической) ячейки показана на рис. 13.
   
   

   Рис. 13. Вольт-амперная характеристика фотовольтаической (фотоэлектрической) ячейки

При подключении ячейки к низкоимпедансной нагрузке (например, регулятор или компонент хранения) зарядка идет в неэффективном режиме, поскольку выходные напряжение и ток близки к параметрам короткого замыкания. Это не максимальная мощность, которую ячейка может сгенерировать. Микросхема с функцией MPPT/MPPC способна значительно улучшить генерируемую мощность посредством контроля выходного напряжения до уровня VP_max.

2. Низкий собственный потребляемый ток Iq. В энергопотребляющей электронике очень важно эффективно генерировать и хранить заряд в течение долгого времени. Микросхемы с низким потребляемым током предпочтительней для продолжительного хранения энергии. Каждый производитель микросхем имеет в своем портфолио регуляторы с током в несколько сотен наноампер (табл. 5).

Заключение

Суперконденсаторы Murata DMF/DMT и миниатюрные аккумуляторы серии UMA — это высокофункциональные элементы питания с возможностями, востребованными в портативных медицинских устройствах. Компания Murata продолжает проектирование в сфере резервных источников питания, а также ведет работу по расширению линейки предлагаемых компонентов. n