隨著越來越多的保健和醫療器件以這樣或那樣的方式連接，現代連通性技術與患者護理的融合程度與日俱增。在醫療物聯網（IoMT）的新時代，各種電池供電無線醫療器件在我們的日常生活中變得越來越普遍。傳統和新興醫療器件類別包括健身手環或智能手表（具有脈搏監測或心跳監測能力）、血壓監測儀、起搏器、脈搏血氧計、血糖監測儀、溫度計、助聽器，此外還有正在開發的其他原型或年底前準備上市的新產品。

這些類型的醫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，并且支持無線連接。如果這些器件出現電池壽命不足的情況，就其結果的嚴重程度而言，輕則帶來不便，重則危及生命。

因此，在電子消費醫療器件設計的方方面面，了解醫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。

電池耗盡測試的注意事項

電池運行時間可通過電池耗盡測試來確定。要執行這一測試，需要測量電池從充滿電到完全耗盡（換言之就是電池停止工作）的時間。測得的時間即為電池運行時間。然而，這一點知易行難，因為在這個測試中，設計工程師需要將許多方面都加以考慮。

以下是進行電池耗盡測試最重要的四個注意事項：

注意事項 1：電池壽命不一致

不同的電池具有不一致的電池壽命，這一點很常見，即使它們來自同一制造商。這是因為電池可能出自不同的制造批次或不同的工廠。

建議：對不同的電池執行多次耗盡測試。

注意事項 2：電池的充電狀態

我們強烈建議在運行測試時使用充滿電的電池。如果電池老化或未充滿，它將影響到運行時間結果。

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

注意事項 3：醫療器件用例

不同模式的器件消耗的電流不同。

建議：將器件上的用例測試參數設置為常變量。因此，在耗盡測試期間，每個測試中的變量是恒定的。

注意事項 4：確定器件何時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：當電池達到某個低電壓閾值時，測量電池電壓，并將其用作器件停止工作的指示器。

使用電源進行電池仿真

一些設計工程師可能使用普通電源來仿真電池的耗盡測試。然而，這種方法不準確或不切實際，因為它會給整體測試帶來更多誤差和可變因素。使用普通電源也不是合適的方法，因為它永遠不會像電池一樣耗盡。

然而，如果電源具有專門的功能，如輸出電阻可控以及對沉沒的電流脈沖能做出優良的瞬態響應，那么這樣的電源可以用于仿真電池。這種方法非常復雜，因為在耗盡測試中，將電荷從電源拉入醫療器件時，電源的輸出電壓需要下降。仿真數據的收集過程將非常耗時，而且結果也會出現問題，因為它們可能與使用電池獲得的結果不匹配。

如此一來，在更為真實的仿真方法可用之前，使用電池進行耗盡仍然是首選的方法。

不僅僅是運行時間

在設計器件時，設計工程師需要查看更多的測試結果，才能更加深入地了解耗盡測試期間發生的情況。通過繪制電壓和電流與時間的關系圖，他們可以更清楚地掌握電池耗盡的情況。

為了測量流經電池和醫療器件的電壓和電流，測試儀通常需要具備以下組件：

圖1：電池耗盡測試結果

2 個數字萬用表（DMM）

2 通道數據記錄儀或 2 通道數字化儀

示波器

與電流測量相比，電池電壓測量沒有那么關鍵。如需捕獲衰減的電壓波形，常規的數字萬用表或數據記錄儀就足以進行測量。然而，電流測量需要使用高速數字化儀，因為每個器件采用不同的電流消耗方案，如睡眠模式、待機模式、活動模式和無線數據傳輸模式（對于無線器件而言）。器件在活動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。如果頻繁開啟和關閉器件，會產生高電流尖峰和瞬態效應。數字萬用表不適合用于捕獲快速變化的電流波形。此外，如果將數字萬用表配置為電流表，它會出現負載電壓，因為在數字萬用表內有校準的分流器。這樣會讓被測器件處的電壓降低，并使得整個電路負擔高達幾百毫伏。

圖 2. 數字萬用表在測量電流時出現負載電壓

電流表負載電壓計算示例：

在 100mA 范圍上，50mA 的 I電池 會產生 250mV 的負載電壓，因此 4.2 V 電池將在被測器件處下降為 3.95V。

在長時間測量快速變化的波形時，數字化儀是更好的選擇，因為它有足夠的帶寬來捕獲波形的各種快速變化。然而，由于數字化儀不直接測量電流，因此需要用到分流器。選擇合適的分流器進行由微安培切換到安培的寬動態電流測量非常重要。如果所選的分流器尺寸是用于測量低電流，那么在分流器兩端將存在大的電壓降，導致在電路上產生負載電壓。如果所選的分流器尺寸是用于測量高電流，那么低電流測量會存在不準確性，因為可能沒有足夠的電壓通過數字化儀。因此，在選擇分流器尺寸時，必須在負載電壓或低電流不準確性之間加以權衡。

示波器是顯示電流和電壓測量波形的最佳選擇，因為它具有良好的動態電流測量帶寬和出色的更新速率。除此之外，示波器與數字總線存在良好的時間相關性，并具有各種觸發功能，能準確地捕獲信號。示波器與數字化儀面臨同樣的挑戰，即選擇正確的并且最適合的分流器進行測量，幾乎不可能同時獲得良好的低電流測量結果和高電流測量的容許負載電壓。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5A。如此一來，就既能顯示大信號，又能顯示快速、寬闊的波形細節。這種解決方案的局限性在于它不能執行長期測量。