Учебное пособие 800568

можностям, но и по производительности. Расширение поддерживаемых функций часто приводит к увеличению количества потребляемой энергии. Как правило, в портативных приборах, принято использовать батарейное питание. Но следует учитывать, что увеличение физических размеров прибора при использовании аккумулятора увеличенной ѐмкости не всегда допустимо, из-за стойкой общепринятой тенденции к уменьшению габаритов разрабатываемых новых устройств [1].

Очевидным выходом из этой ситуации станет использование сменных аккумуляторов. При этом пользователь сможет сам легко заменить элемент питания, а бывший в употреблении перезарядить. Но, с точки зрения разработчика, использование встроенного (неизвлекаемого) аккумулятора обладает множеством преимуществ:

-возможность применения аккумуляторов нестандартных форм и размеров;

-использование компактных и тонких корпусов для прибо-

ров;

-реализация герметичных, пыле- и влагозащищѐнных устройств;

-высвобождение места для дополнительных схемных реше-

ний.

По этим причинам съѐмные аккумуляторы почти полностью исчезли из смартфонов, фитнес-браслетов, пульсомеров, шагомеров

идругих подобных им портативных электронных устройств [2, 3]. Требования, предъявляемые к портативным медицинским

приборам, оказываются гораздо жѐстче, чем для коммерческой электроники. Медицинские устройства должны быть невосприимчивы к широкому спектру химических веществ, включая растворители и биологические жидкости, а аккумулятор должен обеспечивать автономность прибора в течение нескольких дней работы без подзарядки.

На практике использование запасных аккумуляторов часто оказывается невозможным. Для достижения компромисса между потреблением и ѐмкостью химического элемента питания необходимо внедрять в разработки различные инновационные решения. На сегодняшний день отмечается постоянное улучшение характеристик литий-ионных аккумуляторов и других химических источников тока (рост удельной ѐмкости, снижение саморазряда) вместе со

70

снижением потребления энергии (время работы портативных приборов от одного заряда увеличивается) [4].

Тем не менее, основным путѐм развития остается снижение собственного потребления.

Электронные компоненты, применяемые в портативных приборах, должны обеспечивать высокую энергоэффективность в активном режиме работы устройства. В то же время многие медицинские устройства функционируют в импульсном режиме. Они выполняют измерения требуемых параметров, например, частоту сердечных сокращений или артериальное давление, в течение короткого интервала времени, после чего переходят в режим ожидания с низким энергопотреблением с возможностью быстро «пробудиться» при необходимости [5].

По мере того, как энергопотребление компонентов продолжает уменьшаться, разработчики портативных медицинских устройств начинают всерьѐз рассматривать возможность заряда аккумуляторов с помощью «харвестеров» - преобразователей бесплатной энергии окружающей среды [6]. Допускается, что различные виды энергии, окружающие человека, например, солнечная энергия, кинетическая энергия движения, тепло тела, трибоэлектрическая энергия электростатического заряда могут быть преобразованы в электрическую энергию, которая будет дополнительно подзаряжать аккумулятор и увеличивать длительность его работы между основными циклами зарядки. Повышение эффективности харвестеров энергии является важной задачей для современной электроники. Например, новейшие фотовольтаические (солнечные) ячейки (DSSC) могут выдавать мощность 20 - 25 мкВт/см2 даже при недостаточной освещѐнности в 200 люкс (люмен/м2) [7]. В то же время требуемый уровень освещѐнности на рабочем месте в обычном офисе оказывается намного выше и составляет от 600 до 1500 люкс. Помимо очевидных достоинств применение харвестеров имеются и недостатки, выражающиеся в необходимости дополнительного преобразования выходного напряжения для дальнейшего использования. После комплекса преобразований полученной мощности может оказаться недостаточно даже для микросхем с низким энергопотреблением. Ведь собранная мощность оказывается сравнительно небольшой – от микроватт до милливатт.

Следует не забывать о том, что портативные приборы должны оставаться компактными, а это требование ограничивает приме-

71

нение солнечных батарей или термо-электрогенераторов в качестве основных источников питания [8].

Принцип работы блока питания портативного медицинского устройства показан в виде структурной схемы на рисунке.

Сетевой адаптер питания преобразует переменное напряжение сети 220/230 В, 50/60 Гц в постоянное. Бортсетевой адаптер питания позволяет подключать медицинское устройство к бортсети постоянного тока [9]. Зарядное устройство контролирует состояние аккумулятора, заряжает его ограниченным током. Защита аккумуляторной батареи включает в себя срабатывания по короткому замыканию, по теплу, от смены полярности, защищает аккумулятор от перезаряда и от глубокого разряда [10]. Индикатор заряда/разряда отображает разные режимы работы аккумулятора. DC/DC-преобразователь преобразует постоянное напряжение аккумулятора в ряд напряжений, необходимых для работы различных функциональных систем портативного медицинского устройства.

		Зарядное
		устройство
220/230 В
50/60 Гц	Сетевой	Защита
	адаптер	аккумуляторной
	питания	батареи
12…48 В	Бортсетевой	Индикатор за-
	адаптер	ряда/разряда
	питания
		Аккумуляторная
		батарея
	Опционально

DC/DC преобразователь

Питание

контроллера

Питание

пневмосистемы

Питание

запоминающего

устройства

Питание LED-экрана

Структурная схема блока питания портативного медицинского устройства

Портативные медицинские приборы нуждаются в надѐжных аккумуляторах большой зарядной емкости. Аккумуляторная батарея может состоять из свинцовых, никель-металлогидридных (NiMH), никель-кадмиевых (Ni-Cd), литий-ионных (Li-ion), литийполимерных (Li-Po) и т.п. вторичных источников тока.

72

В настоящее время учѐные и инженеры-разработчики электронной аппаратуры всѐ большее внимание уделяют литиевым аккумуляторам, обеспечивающим продолжительное автономное питание электронных устройств. В последние годы отмечается отказ производителей от применения прочих типов АКБ в портативных переносных устройствах.

Популярность литиевых аккумуляторов в различных отраслях народного хозяйства привела к тому, что на рынке появилось много их разновидностей, перечисленных в таблице 1.

Таблица 1

Сравнение характеристик АКБ разных типов

Тип аккумуляторной	Рабочее			Особенности
батареи	напряжение
	единичного
	элемента, В
1	2			3
Никель-металл-	1,25	Дѐшевы, низкий ток, до 300 цик-
гидридная (Ni-MH)		лов заряд/разряд
батарея
Никель-кадмиевая	1,37	Есть эффект памяти, дѐшевы,
(Ni-Cd) батарея		можно		хранить	разряженными,
		служат от 100 до 900 циклов
Свинцовые аккуму-	2,1 В	Рабочий температурный диапазон
ляторы		от -40 до 40 °C, процесс сульфата-
		ции пластин приводит к потери
		ѐмкости,		умеренная цена, ресурс
		(от 500 циклов и более), высокой
		удельной мощности, неконкурент-
		ные	массогабаритные показатели
		для	применения с		портативными
		устройствами

73

		Продолжение табл. 1
1	2	3
Литий-ионные	3,6 В	Есть процесс старения при хране-
(Li-Ion) батареи		нии (для уменьшения этого про-
		цесса хранить надо с 40 % зарядом
		в прохладном месте). Литиевая ак-
		кумуляторная батарея обеспечива-
		ет 100 % производительность в
		диапазоне температур от 0 до 40
		°C и теряет свои разрядные харак-
		теристики при выходе за его пре-
		делы, огнеопасны, теряют работо-
		способность при переразряде, ни-
		чтожный эффект памяти (по срав-
		нению с Ni-MH и Ni-Cd батарея-
		ми)

АКБ с разными значениями ѐмкости и разрядного тока получаются при изменении следующих параметров:

-материал, из которого изготовлены электроды;

-размер частиц активной массы;

-толщина электродов;

-толщина сепаратора;

-толщина фольги.

Для АКБ, рассчитанных на более высокую мощность, токовыводы изготавливаются более массивными. Наряду с этим для наращивания разрядного тока используют добавки и примеси в электролит и электродную массу. У АКБ с большой ѐмкостью токовыводы, как правило, небольшие. Они рассчитываются на разрядный ток, не превышающий 2С, и зарядный до 0,5С (ток зарядаразряда АКБ указывается от его ѐмкости).

Высокомощные и высокоѐмкие аккумуляторы предназначены для разных задач и имеют различное применение. Модели АКБ с высокой мощностью предназначены для питания стартеров и электродвигателей, а с высокой ѐмкостью – для питания портативной аппаратуры широкого профиля действия.

При разработке современных литиевых АКБ учитывают следующие параметры:

-ѐмкость;

-штатный и максимальный ток разряда;

74

-требуемые габариты;

-компоновка внутри устройства;

-рабочие температуры;

-количество циклов заряд-разряд и прочие.

По конструктивным особенностям литиевые АКБ можно разделить по двум признакам: по конструкции корпуса и по конструкции электродов.

Корпуса делятся на:

-цилиндрические;

-призматические;

-корпуса, состоящие из ламинированной фольги.

По конструкции электродов литиевые АКБ разделяют на рулонные и цилиндрические.

Учитывая методику использования медицинских диагностических приборов, температурного диапазона от 0 до 40 °C достаточно для эффективной работы литий-ионной АКБ в приборе диагностики.

Общие требования к разрабатываемому блоку питания портативного медицинского устройства:

-автономное питание, достаточное для продолжительного функционирования устройства с постоянной производительностью;

-внешнее питание от сети переменного напряжения 220/230 вольт частотой 50/60 Гц;

-внешнее питание от бортовой сети автомобиля 12 … 48 В;

-в качестве аккумулятора следует выбрать литий-ионный аккумулятор;

-электронное управление питанием;

-низкое потребление энергии прибором медицинской диагностики в ждущем режиме;

-контроль разряда литий-ионной АКБ с предупреждением о разряде и последующем автоотключением от потребителей.

Исходя из зарядной ѐмкости в зависимости от массы и объѐма батареи, а также учитывая частоту использования, данному назначению по своим эксплуатационным свойствам лучше всего соответствует литий-ионная аккумуляторная батарея (таблица 2).

75

Таблица 2

Сравнение характеристик разновидностей литий-ионных аккумуляторов

Тип аккумуляторной	Рабочее		Особенности
батареи	напряжение
	единичного
	элемента, В
1	2		3
Литий-титанатные	2,4	Очень быстрая зарядка (80 % через
(LTO) батареи		несколько минут заряда), пока до-
		роги, тысячи циклов, используется
		в автотранспорте.
Литий полимерные	3,7	Бóльшая плотность энергии по
(LiPolymer, LiPo)		объѐму (в сравнении с литий-
батареи		ионной батареей), гибкость в раз-
		мерах ячеек из-за применения
		фольги в качестве корпуса, пре-
		дельное напряжение разряда 2,5 В,
		до 400 циклов заряда-разряда, по-
		жароопасны при перезаряде и/или
		перегреве
Литий-ферро-	3,6	Подходят для высоких токов раз-
фосфатные		ряда, до 2000 циклов, низкое воз-
(LiFePO4, LiFeP)		действие	на окружающую среду
батареи.		при переработке, пожаробезопасны
Литий-диоксид се-	2,9	Высокая плотность энергии, устой-
ры (Li-SO4) батареи		чивость к разрядам большими то-
		ками, низкий саморазряд, широкий
		температурный диапазон (от - 55
		°С до + 65 °С)
Литий-диоксид	3,6	Рабочая температура от – 40 °С до +
марганца (Li-MnO2,		60 °С, большой срок хранения (до 10
Li-Mn) батареи.		лет) без потерь характеристик, не-
		агрессивный нетоксичный органиче-
		ский электролит. Используется в
		аварийных	радиобуях, пожарных
		сигнализациях и др.

76

		Продолжение табл. 2
1	2	3
Хлорид-тионил-	3,6	Очень широкий температурный
литий (LiSOCl2) ба-		диапазон: от – 60 °С до + 150 °С,
тареи		стабильное напряжение при разря-
		де
Литий-никель-	3,6	Высокая долговечность, высокая
кобальт-		энергоѐмкость, но высокая стои-
алюминий-		мость и низкая безопасность
оксидные (NCA,
NCR) батареи

В качестве аккумуляторов, используемых в блоке питания, следует выбрать литий-ионный аккумулятор, обладающий длительным сроком службы, высоким выходным напряжением и большом ѐмкостью.

Литература

1.Сачкова Н.Д. Обзор на использование химических источников питания в портативной медицинской технике / Н.Д. Сачкова

//Аллея науки. 2019. Т. 1. № 8 (35). С. 205 – 215.

2.Недзвецкая Р.Я. Повышение длительности работы портативных мобильных приборов на основе анализа разрядных характеристик гальванических источников питания / Р.Я. Недзвецкая, Р.Х. Тукшаитов, Р.М. Нигматуллин, Н.В. Писклова // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 5 - 6. С.

126 - 131.

3.Рыкованов А. Современные литий-ионные аккумуляторы. Батареи на их основе / А. Рыкованов, А. Румянцев, С. Беляев // Компоненты и технологии. 2015. № 5 (166). С. 81 - 85.

4.Груздев А.И. Специализированные источники питания на базе литий-ионных аккумуляторных батарей / А.И. Груздев, Н.И. Куликов, А.В. Макаренко, А.Е. Сорокин // Вестник Московского авиационного института. 2012. Т. 19. № 5. С. 152 - 157.

5.Строев В.М. Проектирование измерительных медицинских приборов с микропроцессорным управлением: учеб. пособие /

77

В.М. Строев, А.Ю. Куликов, С.В. Фролов. – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. – 96 c.

6.Romero E. Energy harvesting for powering biomedical devices / E. Romero // сборник ASME 2012 10th Int. Conf. on Nanochannels, Microchannels, and Mini-channels Collocated with the ASME 2012 Heat Transfer Summer Conf. and the ASME 2012 Fluids Engineering Division Sum, ICNMM 2012 Сер. "ASME 2012 10th Int. Conf. on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels Collocated with the ASME 2012 Heat Transfer Summer Conference and the ASME 2012 Fluids Engi-neering Division Sum, ICNMM 2012", 2012. С. 23 - 27.

7.Portable Medical Devices Market Analysis, Opportunities, Application, End-User And Growth Forecast To 2025 – Электрон. дан.

– Режим доступа: https://www.valuemarketresearch.com/report/portable-medical-devices- market

8.Ogrodnik P. Classifying medical devices / P. Ogrodnik // in book Medical Device Design, 2020, pp. 17 - 49 DOI: 10.1016/B978-0- 12-814962-1.00002-8.

9.Design of Low Power Medical Device // International Journal of VLSI Design and Communication Systems, 2017 № 8(2), pp. 1 - 7 DOI: 10.5121/vlsic.2017.8201.

10.Зайцев И. Сноровка в зарядке-тренировке. Контроллеры заряда аккумуляторов автономных устройств / И. Зайцев // Компоненты и технологии. 2006. № 9 (62). С. 116 - 119.

Воронежский государственный технический университет

78

УДК 621.372

М.Н. Лубкин

ТРАССИРОВКА ПЛАТЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ МИКРОКОНТРОЛЛЕР ATmega 328Р В СРЕДЕ САПР EAGLE

Работа посвящена трассировке платы, содержащей микроконтроллер ATmega 328Р, являющийся важнейшим компонентом газоанализатора оксида азота. Трассировка производится в среде САПР EAGLE с применением разведения дорожек вручную и инструмента автотрассировщик.

Трафареты с вырезанными под контактные площадки прямоугольниками делают многочисленные заводы, но для этого требуются файлы типа Gerber, в которых задано расположение вытравливаемых форм.

Заранее весь объем меди, не входящей в трассы, контактные площадки или переходные отверстия, стравливается с поверхности платы. Но часто оставляется области, заполненные медью. Их называют - заливка.

Когда заливка соединена с землей и занимает весь слой (или хотя бы заметную часть слоя), то слой называют - земляной слой. Земляные слои выгодны, поскольку оптимизируют емкость платы и уменьшаются электромагнитные помехи, а для микроконтроллера ATmega 328Р ключевое преимущество в том, что упрощается трассировка земли.

Когда в полигоне находится обычная контактная площадка, то паять будет трудно, так как у меди тепло быстро рассеивается (из-за высокой удельной теплоемкости). Вследствие этого применяют специальные контактные площадки, которые соединяются с полигоном тепловыми мостами. Данный тип соединения именуют соединением термопереходами.

После размещения корпусов на плате следует проектирование физических связей между контактными площадками и разъемами. Данные физические связи именуются трассами, и при их формировании были соблюдены два правила:

79