Strom sparen, Schaltungen schützen Smarte Schaltungen für tragbare Injektionsgeräte

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ROHM Semiconductor GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Tragbare Medikamenteninjektoren versorgen Patienten rund um die Uhr, auch außerhalb von Kliniken. Bei ihrer Entwicklung muss die Elektronik zuverlässig integriert sein, damit die Sicherheit jederzeit gewährleistet ist. Moderne Komponenten wie rücksetzbare Sicherungen und TMR-Schalter ermöglichen sichere Systeme, die einen hohen Schutz bieten.

Tragbare Injektionsgeräte für Medikamente ermöglichen eine Patientenversorgung rund um die Uhr, ohne dass ein Krankenhausaufenthalt notwendig ist. Die Entwicklung dieser kompakten Geräte ist aber nicht einfach. Konstrukteure müssen hochzuverlässige Elektronik, drahtlose Kommunikation und sicherheitskritische Funktionen in einen leichten, batteriebetriebenen Formfaktor integrieren. Dazu sind geeignete Komponenten notwendig. Diese reichen von rücksetzbaren Sicherungen und eFuses bis hin zu TVS-Dioden und TMR-Schaltern. Damit lassen sich intelligente und zuverlässige Systeme entwickeln.

Damit Geräte rund um die Uhr störungsfrei funktionieren, stehen Ingenieure vor einer dreifachen Herausforderung: Sie müssen die Batterielebensdauer maximieren, den Platzbedarf für die Schaltung verkleinern und einen Schutz vor elektrischen Gefahren gewährleisten. Auch moderne Systeme zur Verabreichung von Medikamenten sind tragbar, drahtlos vernetzt und auf die Bedürfnisse der Patienten zugeschnitten (Bild 1). Ihr Design muss einen kontinuierlichen Betrieb gewährleisten, ohne dass die Sicherheit oder Benutzerfreundlichkeit beeinträchtigt wird.

Ein Blick auf die Architektur

Eine konzeptionelle Ansicht eines typischen tragbaren Medikamenten-Injektors zeigt Bild 2. Das Bild stellt die wichtigen Funktionsblöcke wie Energieverwaltung, Dosiswahl oder Motorsteuerung sowie die empfohlenen Schutz- und Steuerungskomponenten dar. So wird deutlich, wo Schutzmaßnahmen gegen elektrische Gefahren und Sensoroptionen mit geringem Stromverbrauch zu integrieren sind.

Bild 3 zeigt die spezifischen Schaltkreisfunktionen, wie beispielsweise den USB-Eingang, die Dosisabgabemessung oder die Aktivitätserkennung, zusammen mit den entsprechenden Schutz- und Steuerungskomponenten. Eine neben dem Diagramm platzierte Referenztabelle führt für jeden Block empfohlene Lösungen auf, darunter rücksetzbare PPTC-Sicherungen für USB-A/B-Anschlüsse, eFuse-ICs für USB-C und TVS-Dioden für Motor- und ESD-Schutz.

Schutz des Stromeingangs mit PPTC und eFuse

Die Stromzufuhr und insbesondere das Laden über USB ist eine kritische Schwachstelle in diesen Geräten. Ein Li-Ionen-Akku versorgt das System, das je nach Strombedarf über USB-A, USB-B oder USB-C aufgeladen wird. Für den Schutz des USB-A/B-Eingangs sind rückstellbare PPTC-Sicherungen empfehlenswert. Diese oberflächenmontierten Sicherungen bieten einen geringen Widerstand (<1 Ohm) und sparen Platz auf der Leiterplatte, während sie den Fehlerstrom bei Überstromereignissen begrenzen.

Bei USB-C können Ingenieure einen kompakten eFuse-IC implementieren, der Überspannungs-, Überstrom- und Übertemperaturschutz in einem Vier-Pin-DFN-Gehäuse integriert. Das Bild 4 zeigt das Blockdiagramm des LS0504EDD12, eines eFuse-Lastschalters für Spannungen mit 5,5 V und einem Strom von 4 A von Littelfuse. Die Komponente bietet eine Soft-Start-Schaltung zur Minimierung von Einschaltstromstößen, eine Unterspannungssperre zum Schutz vor Spannungsabfällen und einen internen Schalter mit niedrigem R_DS(on) von 26 mOhm zur Reduzierung von Leitungsverlusten. Dieser kompakte IC ersetzt mehrere einzelne Schutzkomponenten.

Batteriemanagement und ESD-Schutz

Batteriemanagement-ICs überwachen den Ladestatus (SoC) und Zustand (SoH), um eine lange Batterielebensdauer und sicheren Betrieb zu gewährleisten. Diese empfindlichen Schaltungen erfordern einen robusten Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD). Entwickler können bidirektionale TVS-Dioden-Arrays verwenden, um ESD-Schläge von ±30 kV zu unterdrücken. Diese Arrays reagieren innerhalb von Nanosekunden und reduzieren die Spannung auf sichere Werte, ohne den normalen Betrieb zu beeinträchtigen.

Steuert ein Motorantrieb den Injektionsmechanismus, dann sind sie anfällig für Stromstöße und ESD. Oberflächenmontierte TVS-Dioden, die für 400 W Stoßleistung und 30 kV ESD ausgelegt sind, bieten effektiven Schutz in uni- und bidirektionalen Konfigurationen. Ihr ultraschnelles Ansprechverhalten von weniger als 1 ps gewährleistet die Sicherheit von Motorsteuerungsschaltungen ohne Beeinträchtigung der Effizienz.

Schaltkreise für Display und Funkübertragung, insbesondere für Bluetooth Low Energy (BLE) und Zigbee, erfordern einen Schutz, der die Signalintegrität nicht beeinträchtigt. TVS-Dioden mit geringer Kapazität verhindern ESD-Schäden, ohne dass es zu kapazitätsbedingten Verzerrungen kommt, die die Funkleistung oder Datengenauigkeit beeinträchtigen könnten.

Bei tragbaren Injektionsgeräten überwachen Sensoren die Platzierung des Geräts, den Hautkontakt und die Dosisabgabe. Diese Sensoren müssen äußerst kompakt, stromsparend und zuverlässig sein.

Die Dossierabgabe erkennen

Dieses Teilsystem benötigt einen mechanischen Schalter, um die Position des Kolbens oder des Einstellrades zu bestätigen. Ingenieure können dazu taktile Schalter mit einer Grundfläche von 3,5 x 2,8 mm, einer Betätigungskraft von 35 g und einer Lebensdauer von über 100.000 Zyklen verwenden. Der Kontaktwiderstand bleibt niedrig bei 500 mOhm und sichert die Signalintegrität bei minimalem Leistungsverlust.

Die Aktivitätserkennung und Überprüfung des Hautkontakts ist ein Schaltkreisblock der sicherstellt, dass der Injektor richtig auf der Haut sitzt und das Medikamentenfläschchen vorhanden ist. Verfügbare Lösungen umfassen:

• Flache Drucktastenschalter: Oberflächenmontiert, IP67-zertifiziert, 0,55 mm hoch und mit einer Lebensdauer von über 300.000 Zyklen

• Reed-Schalter: Hermetisch versiegelt und magnetisch aktiviert, mit praktisch null Stromverbrauch – geeignet für Systeme mit extrem niedrigem Stromverbrauch

• Erkennungsschalter: Modelle für die Dosisabgabe lassen sich auch für die Kontaktprüfung nutzen

Tunneling Magnetoresistance

Eine fortschrittlichere Lösung ist der TMR-Schalter (Tunneling Magnetoresistance), wie in Bild 5 dargestellt. Er nutzt einen magnetisch empfindlichen Übergang, um einen CMOS-Ausgang mit logischem Pegel auszulösen. TMR-Schalter verbrauchen rund 200 nA und können schon Felder ab 5 Gauß erkennen. Somit eignen sie sich für die Überwachung der Bewegung des Kolbens in tragbaren Injektoren.

Der TMR-Schalter befindet sich in der Nähe des Bodens der Kolbenkammer und reagiert auf die Annäherung eines am Kolben befestigten Magneten. Der Mikrocontroller wertet die Änderung der Ausgangsspannung aus, um das Injektionsvolumen in Echtzeit zu berechnen. Diese Lösung bietet hohe Energieeffizienz und Präzision.

Künftige Entwicklungen

Derzeit befinden sich zwei Technologien zur direkten und genaueren Messung des injizierten Flüssigkeitsvolumens in der Entwicklung. Eine verwendet einen neuen TMR-Sensor zur Messung der Kolbenposition. Die andere nutzt einen Kapazitätssensor und eine Elektrode am Stift, der nicht in Kontakt mit dem Flüssigkeitsbehälter ist. Dabei weist die Elektrode ein einzigartiges, zum Patent angemeldetes Design auf. Die in Kürze verfügbaren TMR- und Kapazitätssensoren ermöglichen eine zuverlässigere und genauere Messung des Injektionsvolumens.

Integrierte Steuerung mit stromsparenden MCUs: Mikrocontroller verwalten Sensoren, Motortreiber und Kommunikation des Geräts. 8-Bit- oder 32-Bit-MCUs sind für den stromsparenden Betrieb optimiert:

• Betriebsstrom <2 mA,

• Strom im Ruhezustand <1 µA,

• On-Chip ADCs und Temperatursensoren,

• PWM-Timer für die Motorsteuerung und

• Peripherieschnittstellen für BLE-Module.

Ein Schlafmodus bei Inaktivität des Geräts reduziert den Stromverbrauch deutlich und verlängert damit die Akkulaufzeit. Dies ist besonders wichtig beim Einsatz rund um die Uhr.

Gate-Treiber für die Motoreffizienz

Die Motoreffizienz hängt unter anderem vom Gate-Treiber zwischen der MCU und dem MOSFET oder IGBT ab. Hochgeschwindigkeits-Gate-Treiber mit Schmitt-getriggerten Eingängen und 50 ns Laufzeitverzögerung sorgen für sauberes, reaktionsschnelles Schalten und reduzieren die Welligkeit des Motordrehmoments. TTL- und CMOS-Kompatibilität ermöglichen eine direkte Schnittstelle mit MCU-Ausgängen.

Alle tragbaren Medikamenteninjektoren müssen strenge Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllen. Die Tabelle fasst die wichtigsten Normen zusammen. Eine frühzeitige Planung der Zertifizierung und die Zusammenarbeit mit entsprechenden Anbietern kann die Zahl der Entwicklungsschritte verringern und Verzögerungen während der formalen Tests vermeiden.

Kombination aus Schutz, Präzision und Energieeffizienz

Die Entwicklung eines tragbaren Medikamenten-Injektors erfordert komplexe Abwägungen: Platz gegen Funktionalität, Leistung gegen Reaktionsfähigkeit und Kosten gegen Konformität. Die Auswahl der Komponenten kann alle Bereiche erheblich beeinflussen. Von eFuses und TVS-Dioden bis hin zu TMR-Schaltern und stromsparenden MCUs sind bewährte Komponenten verfügbar, die Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit in kompakten Formfaktoren bieten. Durch die Zusammenarbeit mit Komponentenherstellern, die Anwendungsberatung und Unterstützung zur Zertifizierung bieten, lassen sich kostspielige Fehler vermeiden und die Markteinführung beschleunigen.

Die Kombination von robusten Schutzstrategien mit effizienten Sensor- und Steuerungstechniken ermöglicht die Entwicklung tragbarer Injektoren der nächsten Generation. Diese verbessern die Patientenversorgung in verschiedenen Bereichen des Gesundheitswesens, einschließlich der schnell wachsenden Medizintechnik. (heh)

Referenzen

PDF: Switch Solutions for Medical Applications. (abgerufen am 5.9.2025)

Circuit Protection Product Selection Guide. (abgerufen am 5.9.2025)

Sensing Products Selection Guide (abgerufen am 5.9.2025)

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* Marco Doms ist Senior Manager Technical Marketing bei Littelfuse.

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