Wie sich mobile Medizingeräte sicher mit Energie versorgen lassen

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ELEKTRONIKPRAXIS: Gibt es Lösungen oder Entwicklungen, die man neben der Medizinelektronik nutzen kann?

Die Anzahl der Versorgungschienen in modernen Medizingeräten nimmt zu, bei gleichzeitig abnehmenden Versorgungsspannungen. Viele Systeme benötigen weiterhin Spannungsschienen mit 3/3,3 oder 3,6 V für die Versorgung von Low-Power-Sensoren, Speichern, Mikrocontrollerkernen, I/Os und Logikschaltungen. Viele verfügen über ein Batterie-Backup-System.

Traditionell werden die Niederspannungsversorgungen durch Abwärtsschaltregler oder LDOs versorgt. Diese ICs nutzen jedoch nicht die volle Kapazität der Batteriezellen, was die Laufzeit verkürzt. Deshalb werden Buck-Boost-Wandler eingesetzt. Diese Wandler setzen die variable Spannungen herab und herauf und nutzen den gesamten Batteriebetriebsbereich. Das erhöht die Betriebsspanne und erhöht die Batterielaufzeit, da die Kapazität voll ausgenutzt wird, dies besonders am unteren Ende der Entladekurve.

DC/DC-Wandlerlösungen erfüllen also die Systemanforderungen beim Betrieb mit sogenannten Primärzellen. Neben den gezeigten Merkmalen, sollten sie weitere Attribute bieten: 1. Eine Buck-Boost DC/DC-Architektur mit breitem Eingangsspannungsbereich, um eine regulierte Ausgangsspannung aus allen Batterietypen und deren zugehörigen Spannungspegeln zu erzeugen. 2. Einen sehr geringen Ruhestrom im Betrieb und abgeschaltet, um die Batterielaufzeit zu verlängern. 3. Versorgung der Versorgungsschienen mit hoher Effizienz. 4. Möglichkeit des präzisen Zählens der Coulombs zur Bestimmung des SoC ohne den Ruhestrom zu beeinträchtigen (Batterieverbrauch). 5. Einschaltstrombegrenzung zum Schutz der Zellen. 6. Klein, leicht und niedrig. 7. Fortschrittliche, platzsparende, thermisch-optimierte Gehäuse.

Linear Technology erfüllt mit dem Nanopower LTC3335 Buck-Boost-Wandler (Bild) mit integriertem Coulombzähler bereits alle genannten Eigenschaften. Entwickelt wurde der Wandler für Primärbatterie-Applikationen, die geringe Ruheströme erfordern und die Kenntnis über die Restladung. Eine weitere Anwendung ist dort, wo zur Fehlererkennung Leckströme an der Batterie oder der Last durch den Coulomb Zähler erkannt werden sollen.

Der LTC3335 ist ein synchroner Nanopower-Buck-Boost-Wandler mit integriertem Onboard-Coulombzähler. Er liefert einen Ausgangsstrom von bis zu 50 mA. Mit einem Ruhestrom von 680 nA und programmierbaren Eingangsströmen von 5 mA bis 250 mA eignet sich das Bauteil bestens für breiten Einsatz in batteriebetriebenen Low-Power-Applikationen, wie man sie in tragbaren und IoT-Geräten findet.

Die Eingangsspannung von 1,8 bis 5,5 V und acht vom Anwender wählbaren Ausgangsspannungen zwischen 1,8 und 5 V bieten eine geregelte Versorgung an Eingangsspannungen, die über, unter oder gleich der Ausgangsspannung liegen kann. Zusätzlich bietet das Bauteil einen präzisen Coulombzähler auf ±5 Prozent der Batterieentladung, um die entnommenen Batterieladung in Primärbatterie betriebenen Applikationen zu messen. Typische Applikationen sind drahtlose Sensoren, Fernüberwachung und die Dust Networks SmartMesh-Systeme von Linear.

Der LTC3335 verfügt über vier MOSFETs mit geringem RDS_(ON) und bietet eine Effizienz von 90 Prozent. Andere Merkmale schließen programmierbare Entlade-Alarmschwellen, ein I²C-Interface für den Zugriff auf den Coulombzähler, Programmierbarkeit generell, einen Power-Good-Ausgang und acht wählbare Spitzeneingangsströme von 5 mA bis 250 mA ein. Damit werden viele Batterietypen und -größen abgedeckt. Der LTC3335 ist in einem thermisch verbesserten 20-poligen QFN-Gehäuse erhältlich, welches 3 mm x 4 mm misst und für Sperrschicht-Betriebstemperaturen von -40 bis 125 °C ausgelegt ist.

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