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隨著越來(lái)越多的保健和醫(yī)療器件以這樣或那樣的方式連接，現(xiàn)代連通性技術(shù)與患者護(hù)理的融合程度與日俱增。在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）的新時(shí)代，各種電池供電無(wú)線醫(yī)療器件在我們的日常生活中變得越來(lái)越普遍。傳統(tǒng)和新興醫(yī)療器件類別包括健身手環(huán)或智能手表（具有脈搏監(jiān)測(cè)或心跳監(jiān)測(cè)能力）、血壓監(jiān)測(cè)儀、起搏器、脈搏血氧計(jì)、血糖監(jiān)測(cè)儀、溫度計(jì)、助聽器，此外還有正在開發(fā)的其他原型或年底前準(zhǔn)備上市的新產(chǎn)品。

 

這些類型的醫(yī)療器件具有共同的特性，它們的功耗低，由電池供電，尺寸小巧，輕便靈活，并且支持無(wú)線連接。如果這些器件出現(xiàn)電池壽命不足的情況，就其結(jié)果的嚴(yán)重程度而言，輕則帶來(lái)不便，重則危及生命。

 

因此，在電子消費(fèi)醫(yī)療器件設(shè)計(jì)的方方面面，了解醫(yī)療器件的功耗模式和電池壽命要求都是主要的考慮因素，如此才能滿足最終用戶的苛刻要求。

 

電池耗盡測(cè)試的注意事項(xiàng)

 

電池運(yùn)行時(shí)間可通過(guò)電池耗盡測(cè)試來(lái)確定。要執(zhí)行這一測(cè)試，需要測(cè)量電池從充滿電到完全耗盡（換言之就是電池停止工作）的時(shí)間。測(cè)得的時(shí)間即為電池運(yùn)行時(shí)間。然而，這一點(diǎn)知易行難，因?yàn)樵谶@個(gè)測(cè)試中，設(shè)計(jì)工程師需要將許多方面都加以考慮。

 

以下是進(jìn)行電池耗盡測(cè)試最重要的四個(gè)注意事項(xiàng)：

 

注意事項(xiàng) 1：電池壽命不一致

 

 

不同的電池具有不一致的電池壽命，這一點(diǎn)很常見，即使它們來(lái)自同一制造商。這是因?yàn)殡姵乜赡艹鲎圆煌闹圃炫位虿煌墓S。

 

建議：對(duì)不同的電池執(zhí)行多次耗盡測(cè)試。

 

注意事項(xiàng) 2：電池的充電狀態(tài)

 

我們強(qiáng)烈建議在運(yùn)行測(cè)試時(shí)使用充滿電的電池。如果電池老化或未充滿，它將影響到運(yùn)行時(shí)間結(jié)果。

 

建議：確保電池充滿電，并使用電池循環(huán)儀執(zhí)行電池從完全放電到完全充電循環(huán)，從而確定電池的充電狀態(tài)。

 

注意事項(xiàng) 3：醫(yī)療器件用例

 

不同模式的器件消耗的電流不同。

 

建議：將器件上的用例測(cè)試參數(shù)設(shè)置為常變量。因此，在耗盡測(cè)試期間，每個(gè)測(cè)試中的變量是恒定的。

 

注意事項(xiàng) 4：確定器件何時(shí)停止工作或電池是否完全放電

 

某些器件具有低電量 LED 指示，表示電池電量低。然而，起搏器這類器件不具有低電量指示器。

 

建議：當(dāng)電池達(dá)到某個(gè)低電壓閾值時(shí)，測(cè)量電池電壓，并將其用作器件停止工作的指示器。

 

使用電源進(jìn)行電池仿真

 

一些設(shè)計(jì)工程師可能使用普通電源來(lái)仿真電池的耗盡測(cè)試。然而，這種方法不準(zhǔn)確或不切實(shí)際，因?yàn)樗鼤?huì)給整體測(cè)試帶來(lái)更多誤差和可變因素。使用普通電源也不是合適的方法，因?yàn)樗肋h(yuǎn)不會(huì)像電池一樣耗盡。

 

然而，如果電源具有專門的功能，如輸出電阻可控以及對(duì)沉沒的電流脈沖能做出優(yōu)良的瞬態(tài)響應(yīng)，那么這樣的電源可以用于仿真電池。這種方法非常復(fù)雜，因?yàn)樵诤谋M測(cè)試中，將電荷從電源拉入醫(yī)療器件時(shí)，電源的輸出電壓需要下降。仿真數(shù)據(jù)的收集過(guò)程將非常耗時(shí)，而且結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)樗鼈兛赡芘c使用電池獲得的結(jié)果不匹配。

 

如此一來(lái)，在更為真實(shí)的仿真方法可用之前，使用電池進(jìn)行耗盡仍然是首選的方法。

 

不僅僅是運(yùn)行時(shí)間

 

在設(shè)計(jì)器件時(shí)，設(shè)計(jì)工程師需要查看更多的測(cè)試結(jié)果，才能更加深入地了解耗盡測(cè)試期間發(fā)生的情況。通過(guò)繪制電壓和電流與時(shí)間的關(guān)系圖，他們可以更清楚地掌握電池耗盡的情況。

 

為了測(cè)量流經(jīng)電池和醫(yī)療器件的電壓和電流，測(cè)試儀通常需要具備以下組件：

圖1：電池耗盡測(cè)試結(jié)果

 

2 個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）

2 通道數(shù)據(jù)記錄儀或 2 通道數(shù)字化儀

示波器

 

與電流測(cè)量相比，電池電壓測(cè)量沒有那么關(guān)鍵。如需捕獲衰減的電壓波形，常規(guī)的數(shù)字萬(wàn)用表或數(shù)據(jù)記錄儀就足以進(jìn)行測(cè)量。然而，電流測(cè)量需要使用高速數(shù)字化儀，因?yàn)槊總€(gè)器件采用不同的電流消耗方案，如睡眠模式、待機(jī)模式、活動(dòng)模式和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模式（對(duì)于無(wú)線器件而言）。器件在活動(dòng)模式下可以消耗幾百毫安的電流，但在睡眠模式下只消耗幾微安的電流。如果頻繁開啟和關(guān)閉器件，會(huì)產(chǎn)生高電流尖峰和瞬態(tài)效應(yīng)。數(shù)字萬(wàn)用表不適合用于捕獲快速變化的電流波形。此外，如果將數(shù)字萬(wàn)用表配置為電流表，它會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電壓，因?yàn)樵跀?shù)字萬(wàn)用表內(nèi)有校準(zhǔn)的分流器。這樣會(huì)讓被測(cè)器件處的電壓降低，并使得整個(gè)電路負(fù)擔(dān)高達(dá)幾百毫伏。

圖 2. 數(shù)字萬(wàn)用表在測(cè)量電流時(shí)出現(xiàn)負(fù)載電壓

電流表負(fù)載電壓計(jì)算示例：

 

在 100mA 范圍上，50mA 的 I電池 會(huì)產(chǎn)生 250mV 的負(fù)載電壓，因此 4.2 V 電池將在被測(cè)器件處下降為 3.95V。

 

在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量快速變化的波形時(shí)，數(shù)字化儀是更好的選擇，因?yàn)樗凶銐虻膸拋?lái)捕獲波形的各種快速變化。然而，由于數(shù)字化儀不直接測(cè)量電流，因此需要用到分流器。選擇合適的分流器進(jìn)行由微安培切換到安培的寬動(dòng)態(tài)電流測(cè)量非常重要。如果所選的分流器尺寸是用于測(cè)量低電流，那么在分流器兩端將存在大的電壓降，導(dǎo)致在電路上產(chǎn)生負(fù)載電壓。如果所選的分流器尺寸是用于測(cè)量高電流，那么低電流測(cè)量會(huì)存在不準(zhǔn)確性，因?yàn)榭赡軟]有足夠的電壓通過(guò)數(shù)字化儀。因此，在選擇分流器尺寸時(shí)，必須在負(fù)載電壓或低電流不準(zhǔn)確性之間加以權(quán)衡。

 

示波器是顯示電流和電壓測(cè)量波形的最佳選擇，因?yàn)樗哂辛己玫膭?dòng)態(tài)電流測(cè)量帶寬和出色的更新速率。除此之外，示波器與數(shù)字總線存在良好的時(shí)間相關(guān)性，并具有各種觸發(fā)功能，能準(zhǔn)確地捕獲信號(hào)。示波器與數(shù)字化儀面臨同樣的挑戰(zhàn)，即選擇正確的并且最適合的分流器進(jìn)行測(cè)量，幾乎不可能同時(shí)獲得良好的低電流測(cè)量結(jié)果和高電流測(cè)量的容許負(fù)載電壓。但是，示波器還可以與高靈敏度電流探頭配合使用，使得電流范圍可以低至 50μA，高達(dá)5A。如此一來(lái)，就既能顯示大信號(hào)，又能顯示快速、寬闊的波形細(xì)節(jié)。這種解決方案的局限性在于它不能執(zhí)行長(zhǎng)期測(cè)量。