设计电池供电医疗物联网设备时面临的挑战
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根据《2020 年全球医疗保健物联网市场预测报告》，预计从 2015 年到 2020年，植入物（例如心脏起搏器）和可穿戴外设（例如胰岛素泵）的物联网市场规模将增长 30％。推动这一趋势的原因包括：RFID 标签和传感器的成本不断下降；个人医疗和健身监测需求增加；以及需要实时医疗服务生活方式的患者人数也在增加。了解医疗设备的功耗模式和电池使用寿命的要求，是设计电池供电物联网医疗设备时必须要考虑的一大因素。
这些设备类型有一些共同点：小功率、电池供电、体积小、便于移动，支持一种或多种无线连通性。在高性能设备中，显示器、处理器和无线模块消耗了总能耗中的很大一部分能耗。这些设备配备多个无线接口，并且通常需要处于活动模式。因此，如果设备的电池使用寿命不足，轻则造成使用不便，重则甚至危及生命（例如心脏起搏器电池故障）。因此，在设计电池供电的物联网医疗设备时，了解功耗模式非常重要。
A. 电池使用寿命测试
电池使用寿命是衡量电池性能和寿命的一个标准，可以通过多种方式量化确定：充满电后的供电时间，制造商估计的毫安时，或直到使用寿命结束时的充电次数。电池运行时间由电池耗尽测试确定，它是指充满电的电池完全耗尽电压并进行测量所需的时间。所花费的时间称为“运行时间”。以下是每位设计人员都需要考虑的四大关键因素。首先是电池变化。没有完全一模一样的电池，即使它们由同一制造商生产，通常也会因生产批次或工厂而异。建议使用不同的电池进行多次电池耗尽测试。其次是电池充电条件。如果电池老旧，只能部分充电，那么会影响其运行时间。您应该始终使用新电池，并且确保电池已充满电。在为电池充电时使用电池循环器对电池进行调理，以确保电池完全充电。
第三个因素是设备用例，设备的不同工作模式将消耗不同的电流量。因此，应把测试程序和测试用例固定为常变量。在电池耗尽测试中，这个变量在每次测试运行时都是恒定不变的。最后，如何才能知道设备何时停止工作或电池何时完全放电？有些设备配有 LED 指示灯，会提示电池电压低。设计人员可以依赖 LED 指示灯做出判断。但是，对于没有指示灯的起搏器等设备该如何处理呢？建议给设备设置一个电压阈值，如果设备即将断电，便会停止工作。
使用电源仿真电池
有些设计人员使用电源来仿真电池，进行电池耗尽测试。这种方法既不准确也不实用，实际上会在整体测试中引入更多的误差和变量。电源不适用是因为它不会像电池一样会耗尽。但是，专用电源具有可控的输出电阻，而且对电流脉冲有出色的瞬态响应，可以用于仿真电池。这种仿真很复杂，因为在电池耗尽测试期间，当电荷从电源流入设备时，电源的输出电压需要下降。仿真数据收集过程需要很长时间，而且结果也不是特别可靠。电源电池仿真与使用实际电池的测试并不相同。在更逼真的仿真模型问世之前，使用真实电池进行耗尽测试是首选方法。
电池使用寿命评测解决方案
是德科技的自放电测量解决方案由 BT2152A 自放电分析仪和 BT2191A 自放电测量软件组成（图 1）。这一测试装置大幅减少了测量和表征锂离子电池自放电性能的时间，可在 1-2 小时内直接测量自放电电流，而不是耗费数周或数月时间监测电池单元的开路电压变化。在电池单元评测过程中，它可以快速测量和分析自放电电流；缩短设计周期，加快产品上市速度。
B. 功耗模式
了解整个设备的功耗模式或设备内每个元器件的功耗，对于医疗设备开发人员而言非常重要。无线连通性、高速数字处理和实时监测功能的融合，需要了解并准确测量电池的电流消耗。长时间的休眠 / 空闲、唤醒 / 活动以及短暂的射频猝发都会对电池产生十分苛刻的需求。
由于目前还无法通过外科手术简单安全地更换电池耗尽的植入物，因此，精确测量电池电流消耗，对于提高医疗设备的能量效率和电池使用寿命至关重要。要了解元器件、芯片或整个设备的功耗模式，需要考虑以下关键挑战：
- 宽广的电流范围 — 很多设备大部分时间处于待机或休眠模式，只在短暂的时间内激活并发送或接收数据。设备在活动模式下可能消耗数百 mA 的电流，而在休眠模式下仅消耗 μA 级电流。因此，如何同时测量比率高达1,000,000:1 的大小电流成为主要挑战。
- 快速瞬态效应 — 为了减少功耗，设备会非常频繁地开关。这会产生又高又窄的电流尖峰，产生快速瞬态效应。如果没有检测到这种效应并采取措施，它可能会引起不必要的电池电压消耗。
- 低功耗 — 设计以小电流方式工作的设备时，必须确保其小型板载电池可以长时间工作，而无需充电。
- 长运行时间 — 设备预期一次充电可运行数小时、数天甚至数年（例如起搏器必须工作至少 15 年而不会发生故障）。
选择数字万用表？数字化仪？还是示波器？要测量流经电池和设备的电池电压和电流，设计人员需要：
- 数字万用表（DMM）
- 数据记录仪或数字化仪
- 示波器
电池电压测量的重要性不及电流测量。要捕获不断衰减的电压波形，使用常规的数字万用表或数据记录仪就足以完成任务。然而，捕获电流测量值需要速度更快的数字化仪。数字万用表不够快捷，无法捕获快速变化的电流波形。此外，如果数字万用表配置为电流表，则它会成为电压负担，因为它内部存在校准的电流分流器。这会降低被测器件的电压，并使整个电路的负载达到数百毫伏。
数字化仪是一个不错的选择，因为它可以长时间测量快速变化的波形，并有足够的带宽来捕获波形中的任何快速变化。然而，最大的问题是要使用的电流分流器的大小；数字化仪不能直接测量电流！对于从微安培到安培的宽动态电流测量，很难选择合适的分流器。如果选择的分流器尺寸适合测量小电流，那么分流器两端会有很大的压降，这会给电路带来电压负担，进而使得小电流测量的不准确度增加，因为通过数字化仪的电压不足。因此，必须在负载电压和小电流测量不准确度之间进行权衡。
示波器是同时显示电流和电压测量波形的最佳选择，因为它具有良好的带宽，可实现动态电流测量，并支持较快的更新速率。示波器与数字总线具有良好的时间相关性，并具有各种触发功能，可准确捕获信号。然而，示波器与数字化仪有相同的问题 — 几乎不可能选择合适的电流分流器来实现良好的小电流测量。高灵敏度电流探头的测量范围最低可达到 50 uA，最高达到 5A，让测试人员能够同时查看快速变化的宽波形中的大信号和细节，但唯一的局限性是无法长时间执行测量。
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