Элементы питания Murata

В статье рассматриваются два типа компонентов производства Murata для обеспечения дополнительного электропитания портативных приборов: суперконденсаторы DMT/DMF и миниатюрные аккумуляторы UMA. Рассматривается их перспективное применение в портативной медицинской технике.

В современном обществе происходят непрерывные изменения, падает уровень рождаемости, появляются новые методы лечения, меняется рабочая среда сотрудников (например, удаленная работа). Для адаптации к таким общественным изменениям 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 такого уровня позволит улучшить качество жизни пожилых людей и увеличить срок жизни.

Сетевые тренды в медицинской технике

Большинство медицинских устройств уже сегодня объединены в проводную LAN сеть благодаря цифровому формату их данных. Следующий этап развития – это оснащение устройств с возможностью регистрации внешними блоками памяти, например, SD картами. Последний шаг – это 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).
Даная статья фокусирует внимание на организации резервного питания при пиковом потреблении и бэкапе в мобильных медицинских устройствах.

Резервное питание при пиковом потреблении

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

Путем простого параллельного использования суперконденсаторов с первичными аккумуляторами (рис. 2) можно повысить уровень напряжения при пиковых нагрузках (рис. 3).

Рис. 2 Резервное питание от суперконденсаторов
Primary battery – основная батарея
Balance resistors – выравнивающие резисторы
Supercapacitors - суперконденсаторы
Load – нагрузка

Рис. 3 Распределение нагрузки с помощью суперконденсаторов
Voltage - напряжение
Battery only – только батарея
Time - время
Battery + Supercapacitors – батарея + суперконденсаторы

Это позволит повысить качество и производительность медицинских устройств.
Приведем два примера выравнивания напряжения питания для иллюстрации использования суперконденсаторов в медицинской технике. Первый пример – это активация функции памяти монитора и SD карты портативного устройства. Второй пример – активация функции беспроводного сетевого соединения с медицинским прибором.
На рис. 4 показан пример выравнивания пиковой нагрузки (где источником питания устройства является батарея питания).

Рис. 4 Нагрузка на дисплей и SD карту
Primary battery – основная батарея питания
Balance resistors – выравнивающие резисторы
Supercapacitors - суперконденсаторы
Loading pattern – график нагрузки

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

Рис. 5 Результаты сравнения рис. 4
Voltage – напряжение (В)
Time – время (ч)
Under load – под нагрузкой
Under no load – без нагрузки
System Stops! – система остановлена
Tthe battery needs to be replaced… - батарею необходимо заменить, хотя у него еще остался заряд
Murata’s supercapacitors can level… - суперконденсаторы Murata выравнивают напряжение под нагрузкой, что позволяет батарее работать до полного разряда

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

Рис. 6 Нагрузка при беспроводной передаче данных
Primary battery – основная батарея питания
Balance resistors – выравнивающие резисторы
Supercapacitors - суперконденсаторы
Loading pattern – график нагрузки
High power RF – мощный усилитель

На рисунке 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
Voltage – напряжение (В)
Time – время (с)
Under load – под нагрузкой
Under no load – без нагрузки
Battery only – основная батарея питания
Battery and supercapacitors – батарея с суперконденсаторами
Underload, the voltage… - под нагрузкой напряжение падает до минимального уровня, работа устройства останавливается
Murata’s supercapacitors can level… - Суперконденсаторы Murata выравнивают напряжение под нагрузкой для стабилизации работы

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 работу 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 85С и является решением для общего применения с долгим сроком службы. Серия DMF представлена суперконденсаторами с низким последовательным сопротивлением (ESR) для выравнивания пролонгированных пиков нагрузки.

Таблица 1. Линейка суперконденсаторов Murata

Рис.8 Габаритные размеры ионисторов
Positive terminal – положительный вывод
Balance terminal – нейтральный вывод
Negative terminal – отрицательный вывод

Резервное питание для медицинских приборов

Линейка компонентов резервного питания Murata представлена еще одной серией – это миниатюрные аккумуляторы Murata серии UMA (производитель их называет small energy devices).
UMA – это 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 могут использоваться 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
Energy source – источник электроэнергии
Light – свет
Vibration – вибрация
Heat – нагрев
etc... – т.д.
Power management – управление питанием
Low power consumption – низкая потребляемая мощность, DC-DC зарядка
Energy storage – хранение энергии
One-chip microcomputer – однокристальный компьютер
Lload – нагрузка
FR function – частотная характеристика
Sensor Function 1 – Датчик, функция 1
Sensor Function 2 – Датчик, функция 2

UMA аккумуляторы считаются литийионными батареями, однако, они не имеют теплового порога и не взрываются при перегреве. Это преимущество связано с использованием нового материала - литий-титаната. Традиционно для положительного электрода используется оксид литий-кобальта, а отрицательный электрод производится из графита (LIB). Благодаря применению более качественного и надежного материала небольшие ионисторы Murata предоставляют возможности, которые не может обеспечить стандартная LIB батарейка – это высокая скорость заряда и разряда, долгий срок эксплуатации и безопасность без теплового разгона. Таким образом, ионисторы Murata можно использовать в качестве резервного источника питания для поддержки работы портативных медицинских устройств.
Использование литий-титаната (LTO) для материала отрицательного электрода обеспечивает заявленные свойства по безопасному применению аккумуляторов Murata. Несмотря на то, что литий титанат является проводящим материалом, он поглощает ионы лития и становится изолятором, когда они высвобождаются в процессе электрического разряда. Когда возникает внутреннее короткое замыкание, ток течет через точку замыкания. Несмотря на то, что ионы лития высвобождаются при разрядке, контакт замыкания становится непроводящим и ток подавляется. Это предотвращает нагрев и переход в критическое состояние. Кроме того, литий титанат сам по себе является негорючим материалом.

В таблице приведены различия параметров разряда/заряда обычной литийионной батарейки и UMA аккумулятора.

Таблица. Различия параметров разряда и заряда литий-ионных и UMA аккумуляторов Murata

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 не имеют ограничения по току зарядки, однако полная зарядка возможна только постоянным напряжением.

Рис. 10 Зависимость между напряжением заряда и степень зарядки
State of charge – степень зарядки
Charge voltage – напряжение зарядки, В
На рис. 10 показана 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 В, а не 2,7 В. Степень заряда зависит от напряжения и аккумуляторы могут выйти на номинальную емкость при 2.7В и разряжаться при 1.8В. При зарядке на уровне 2.4В и разрядке до 1.8В емкость аккумулятора составит 70% от номинальной. При зарядке на 2.5В – 90%.

Рис.11 график разряда аккумуляторов UMA
Voltage – напряжение, В
Discharge time – время разрядки, мин
На рис.11 показан график разряда аккумуляторов UMA. Аккумуляторы имеют пологую характеристику разрядки на уровне 2.3 В. Производитель рекомендует установить защиту от низкого напряжения на уровне 2.2 В, выше, чем 1.8В. Номинальная емкость составит диапазон между 2.7 и 1.8 В, около 90% емкости при диапазоне 2.7В и 2.2В.

В таблице 2 приведены технические параметры для аккумуляторов цилиндрического типа (UMAC) и плоского типа (UMAL).

Таблица 2. Сравнительная таблица аккумуляторов в разном типе корпусов

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 слишком мал для поддержания рабочего состояния прибора в случае аварийного отключения питания (например, падения прибора и выпадения батарейки) или в процессе замены элемента питания. Небольшие LIB компоненты 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% разрядкой компонента), что показано на рис.8.

Charging capacitance – скорость восстановления емкости заряда  (%)
Number of cycles – число циклов
В середине графика:
Условия зарядки/разрядки:
Зарядка: 5С (60мА) 1.8->2.7 В
Разрядка: 5С (60мА) 2.7 ->1.8 В
Температура: 25°С

Таким образом, энергетические компоненты UMA Murata служат как компоненты хранения резервного питания для портативных медицинских устройств. На таблице 3 показаны параметры сравнения.

Таблица 3. Сравнение компонентов резервного питания

Суммируем основные преимущества аккумуляторов серии UMA:

—долгий срок службы без обслуживания
—малые потери (низкая утечка)
—высокий коэффициент разрядки для прямого управления RF функциями
—быстрая готовность к работе после установки (начало зарядки)

Благодаря применению нового материала в конструкции аккумулятора напряжение зарядки и критическое напряжение разрядки отличаются от традиционных литийионных 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. Вольтамперная характеристика на выходе фотовольтаической ячейки показана на рис. 12.

Рис.12 Вольтамперная характеристика фотовольтаической ячейки
Current - ток
Voltage – напряжение
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 может значительно улучшить генерируемую мощность посредством контроля выходного напряжения до уровня VPmax.

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 нА (табл.4)

Таблица 4. Список рекомендованных микросхем для контроля заряда UMA аккумуляторов.

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