Side 22

STRØMFORSYNING Forsyningsdesigns til primærcelle patient fjernmonitering Fjernmonitering af patienter (RPM) udvikler sig hele tiden for at aflaste læger gennem indblik i patienternes helbred i hjemmene. Monitering er ofte baseret på single-celle batteriforsyning, og vi skal i den følgende artikel se, hvordan man kan designe en EKG-patch til patientmonitering med længst mulig batterilevetid. Vi skal se, hvordan man meget præcist kan forudsige – og forlænge – batterilevetiden, også før den overhovedet bliver aktiveret Ill på: W:\ael\ael 2-25\a905tab1: Af Fahad Masood, teknisk stabsmedlem, Analog Devices Inc. IoT-revolutionen har givet et paradigmeskift inden for healthcare af patienter i real- time. I dag er fjernmonitering af patienter (RPM) et område, hvor nye elektroniske pro- dukter ændrer måden, læger interagerer med deres patien- af multifunktionelle sensorer, som giver en øget præcision og effektivitet, hvilket igen stiller større krav til strømfor- syningen. Vi skal i det følgende bruge diagrammet i figur 1 for en EKG-patch som eksempel. Denne patch moniterer kon- tinuert EKG og accelerome- terdata og tjekker patientens temperatur hvert 15. minut. Data bliver transmitteret via skellige tilstande med hver sin belastningsprofil for standard- monitering, temperaturmo- nitering og transmission. Ved standardmoniteringstilstand overvåges alene EKG og ac- celerometeret. I temperatur- moniteringstilstand måles også temperaturen, og ved transmission kommunikerer BLE-radioen data med en fort- sat monitering af EKG- og ac- celerometerdata. Udfordringer i forsyningen En EKG-patch giver multiple designudfordringer. Designet er typisk meget pladsmæssigt begrænset, og patches med flere sensorer kan have brug for flere forsynings-rails. Da en RPM-patch normalt er tænkt som et éngangsprodukt, er et coin cell-batteri typisk den mest effektive energikilde på markedet. Ved brug af kun én coin cell til forsyning af en EKG-patch skal designeren være opmærksom på effekti- viteten af det samlede forsy- nings-subsystem. En ofte overset udfordring for forsyningsdesigneren er et produkts hyldeliv. Shutdown- tilstande og selvafladning af batteriet forkorter ethvert produkts levetid. Det er der- for afgørende, at designeren vurderer, om en RPM-patch kan opretholde sin forventede driftstid efter et givent hylde- liv og – hvis det ikke er tilfæl- det – hvad kan man så gøre for at bevare batterilevetiden, Figur 1: EKG patch-forsyningsdiagram. Et 235mAh CR2032 litiumbatteri forsyner spændingsregulatorer, en mikrocontroller, EKG’ens front-end, en indtil en patch når ud til slut- brugeren. temperatursensor og et accelerometer. ter på. Mindre IC’er og trådløs et BLE-link (Bluetooth Low Determinering af batteriets runtime En præcis beregning af, om kommunikation giver tidligere Energy) hver anden time med forsyningen hænger sammen årtiers produkter markant for- samlet 12 BLE-transaktioner med batterilevetiden, afhæn- bedret ydelse trods mindre dagligt. Patchen har tre for- ger af belastningsprofilen. Det formfaktorer med bedre pa- tientoplevelse og bedre må- leresultater. RPM’er erstatter tidligere klumpede Holter-ap- parater med patientovervåg- nings-patches, hvor sensorer opsamler hjerterytme/puls, temperatur og accelerome- terdata. De aktuelle patches transmitterer patientdata til clouden, hvorfra lægerne kan få adgang til patientdata i real- time. De nye apparater giver læ- gerne mulighed for en bedre patientpleje, men de udgør også en udfordring for desig- net af strømforsyninger, der skal balancere systemydelsen med batterilevetiden. Udfor- dringerne bliver ikke mindre med den nyeste generation Figur 2: Diagram over belastningsprofilen. er en simpel repræsentation af belastningscyklus for sy- stemet. Til fjernmoniterings- patches til patienter skal vi forestille os de tre nævnte driftstilstande: standard- og temperaturmonitering samt transmissionstilstanden. I standardmoniteringstil- stand er forbruget i patchen det viste i figur 1 (inklusive 330nA-arbejdsstrøm i hver buck-konverter og strøm- trækket i MCU’en) på 1,88mA. I temperaturmoniteringstil- stand er strømtrækket 1,95mA for 200ms hvert 15. minut. I transmissionstilstand trækker patchen 7,90mA i 30 sekunder hver anden time via BLE’en. Værdierne kan ses i datablade- ne, når man ser på de aktive- og arbejdsstrømtrækkenes specifikationer. For at begynde analysen af be- lastningsprofilen skal man be- regne en duty cycle gennem tidsperioderne for hver drifts- tilstand som vist i ligning 1 . Det giver de duty cycles for patchen, som vist i tabel 1 . Ved at bruge belastningsprofi- len vist i figur 2 kan vi beregne forbruget i patchen – sva- rende til det gennemsnitlige, daglige forbrug som vist i lig- ning 2 . Et regneeksempel I vores praktiske regneeksem- pel til strømtrækket i stan- dardmoniteringstilstand på 1,88mA, med en tidsfaktor for daglig brug på 0,9956, svarer det til 1,88mA × 0,9956 × 24 timer = 44,92mAh/dag. Når hver driftstilstands dag- lige strømtræk er fundet, kan batterilevetiden udregnes ud fra ligning 3 . Lad os nu tænke os, at vi har en batterikapacitet på 235mAh, et strømtræk for standardmo- nitering på 44,92mAh/dag, for temperaturmonitering på 0,01mAh/dag og i transmissi- onstilstand på 0,79mAh/dag. Det giver så en batterilevetid på 235mAh/(44,92mAh/dag + 0,01mAh/dag + 0,79mA/dag) = 5,14 dage. Hvis kravet til runtime er fem dage, kan det valgte batteri Operation Mode Temperature Measurement Percentage (%/Day) BLE Communication Percentage (%/Day) ECG Monitoring Duration (%/Day) Tabel 1: Duty cycles for patchens driftstilstande. Duty Cycle 0.02% 0.42% 99.56% opfylde kravet med en bat- terilevetid på mere end 5,1 dage. Det, der snyder i den for- bindelse, er, at hyldetiden for patchen ikke er med i bereg- ningerne. I medicoverdenen er best practice for et design 14 måneder (12 måneders hyl- deliv og to måneder i transit). Hyldelivsbetragtninger Med summering af de speci- ficerede shutdown-strømme fo I r ll s p ys å tem : k W om : p \ o a n e en l t \ e a r e o l g en batteriforsegling er nød- vendig. Batterikapaciteten efter 14 måneder falder betragte- ligt. Tæt på 40 procent af et CR2032-batteris energi vil bli- ve brugt af shutdown-strøm- me og batteriets selvafladning på hylden. Indsætter man bat- terikapaciteten i ligning 3 , kan man beregne en mere præcis runtime: Batterilevetid (dage) = 2- 1 2 46 5 ,6 \a 6m 9 A 0 h/ 5 (s t t a an b da 2 rdmoni- 2% Battery Capacity Leakage (mAh) Standby Current Consumption (mA) Shelf Life - Hours Shelf Life - Days Shelf Life - Years Capacity After 14 Months (mAh) Percent Capacity Left After 14 Months 230.30 0.0082 28085.37 1170.22 3.21 146.66 63.68 Tabel 2: Batterikapacitet efter 14 måneder. en typisk årlig selvafladning på mellem en og to procent årligt for et CR2032-batteri, så kan vi regne os frem til, at efter 14 måneder vil batteriet ikke have nok kapacitet til sup- port af en 5-dages runtime, så teringstilstand + temperatur- moniteringstilstand + trans- missionstilstand) bliver der- med: 146,66mAh/(44,92mAh/ dag + 0,01mAh/dag + 0,79mA/ dag) = 3,21 dage. Batterikapaciteten spiller også 2% Battery Capacity Leakage (mAh) Standby Current Consumption (mA) Shelf Life - Hours Shelf Life - Days Shelf Life - Years Capacity After 14 Months (mAh) Percent Capacity Left After 14 Months 230.30 0.000005 46060000.00 1919166.67 5257.99 230.25 99.98 Tab Ill e p l 3 å : : B W a : t \ t a er e i l k \ a a p e a l 2 ci - t 2 e 5 t \ e a ft 9 e 0 r 5 1 t 4 a m b3 åneder med batteriforsegling. 22 nr. 2 | februar 2025 RING TIL NØRDERNE NÅR DU VIL OPTIMERE/UDVIDE DIN PRODUKTION RING 76259090

Side 23

STRØMFORSYNING ind i forhold til selvafladnin- gen. Et CR2032-batteri har en litiummangan-kemi, så det på et år mister typisk to pro- cent af sin energi på hylden. Et BR2032-batteri bruger en litiumkulstofmonofluorid-ke- mi og har en selvafladning på 0,3 procent årligt. Man kunne måske være fristet til at sige, at batteriet med den laveste selvafladning vil være bedst til formålet, men det er ikke nød- vendigvis hele sandheden. Selv om et BR2032-batteri har en lavere selvafladning, så er et BR2032-batteri med sine 200mAh også ”svagere” i længden end et CR2032-bat- teri, og med beregningerne kan man se, at et BR2032- batteri heller ikke er tilstræk- keligt. I en ECG-patch giver IC’ernes shutdown-strømme de største bidrag til en reduktion af bat- terilevetiden under systemets power-off. Normalt skyldes shutdown-strømme, når en IC ikke er aktiv, lækstrømme og ESD-beskyttelse, og selv om det typisk er strømme på mindre end 1μA, så kan det have en massiv indflydelse på batterilevetiden. I vores RPM- patch kan shutdown-strømme reducere batterikapaciteten med op til 40 procent årligt. Forsegling af batteriet Man kan bruge en forsegling af batteriet for at forhindre systemet i at trække for me- get strøm under shutdown. Der er normalt to typiske forseglingsmetoder, dels en mekanisk pull-tab fremstillet i mylar i designet eller en elek- trisk kontakt til on/off. Mylar-/ plast-tabs sidder mellem bat- teri og system og er en me- get anvendt løsning til blandt andet elektrisk legetøj. Man trækker simpelthen tab’en ud, når man skal bruge produktet, og så forsyner batteriet syste- met. Det er dog ikke altid en mulig løsning. EKG-designs skal normalt være vandtæt, en udtagelig plast-tab ville gøre opgaven tæt på umulig. En enkel belastnings-switch som Vishays SiP32341 er derimod et excellent valg til afbrydelse af batteriet. Kom- ponenten er en FET, som i åben tilstand blokerer bat- teriet fra resten af systemet, så SiP32341’erens shutdown- strøm er det eneste strømtræk på batteriet. Switchen har en logisk styring, som kan tæn- des via et tryk på det anvendte produkt. En SiP32341 trækker kun 14pA (typisk) i shutdown- tilstand, hvilket er en drama- tisk forbedring af shutdown- strømmen i hele systemet, hvis batteriet ikke var forseg- let. Med SiP32341 som bat- teriforsegling opretholder CR2032 som primærcelle 99,97 procent af sin kapacitet efter 14 måneder mod de ”uforseg- lede” 62,39 procent. Denne forbedring på tæt på 38 pro- cent af kapaciteten betyder, at EKG-patchen har energi nok i behold til at opfylde kravet om fem dages funktion selv efter 14 måneders hyldeliv. I vores RPM-patche er ud- gangspunktet efter 14 må- neders hyldeliv fortsat over 99,9 procent, og vi kan der- for beregne funktionstiden ud fra en kapacitet på nu 230,25mAh i en CR2032 coin cell: 230,25mAh/(44,92mAh/ dag + 0,01mAh/dag + 0,79mA/ dag) = 5,04 dage. Batterianalysen af et system i aktiv- eller low-power tilstand er kritisk for beregningen af en korrekt forsyning, der skal opfylde alle krav i et stykke medicoelektronik. Selv om vi kun ser på en EKG-patch til op- samling af puls, temperatur og accelerationsdata med BLE- kommunikation, så kan ana- lysen og principperne nævnt i denne artikel overføres til utallige andre medicodesigns, der skal forsynes af en primær- celle. BAGSIDEN fortsat oprindeligt hed. Opfinderen er Ralph Benjamin (1922-2019), der egentlig var født i Darm- stadt, Tyskland, gik i skole i Schweiz, men blev flygtning og ingeniørstuderende i Eng- land under 2. Verdenskrig. Han fik arbejde i Royal Navy’s Scientific Service og begyndte at udvikle tracking-systemer til at følge flyvende mål med til den engelske flåde. I forbin- delse med radarinstallationer og fly-trackerne udviklede Royal Navy et såkaldt CDS – og sensorerne i betjeningen. Hvis man ikke har prøvet at styre med en trackball, så skal man tænke sig en konstruk- tion som et frit flydende øje i en øjenhule med mulighed for bevægelse i alle retnin- ger. Modsat musen, der ofte skal løftes og klikkes – eller en touchpad, der har nogle klare begrænsninger i x- og y-planet, så kan en trackball styres med en håndflade, en tommelfinger – eller foden – uden behov for at løfte be- Branchenyt Mouser Electronics sætter mennesket i fokus i undersøgelse af industri 5.0 Mouser Electronics, Inc., bran- chens førende NPI-distributør (New Product Introduction) med det bredeste udvalg af halvledere og automationspro- dukter, lancerer nu det nyeste kapitel i virksomhedens Em- powering Innovation Together (EIT) teknologiserie, der foku- serer på det spirende landskab for industri 5.0. I den næste fase af industrialisering vil de men- neskelige, miljømæssige og sociale forhold være faktorer inden for avanceret teknologi, robotter og smart machines på fabriksgulvet og i fremtiden. Med afsæt i de teknologiske fremskridt i industri 4.0, hvor da- taanalyser, AI og machine lear- ning har revolutioneret interak- tionen mellem de fysiske og di- gitale domæner, retter industri 5.0 nu søgelyset mod en mere harmonisk balance mellem mennesker og teknologi. Der er øget fokus på sociale værdier, robusthed og bæredygtighed. Det nyeste kapitel i EIT-serien dykker dybere ned i overgangen fra industri 4.0 til industri 5.0 og de teknologiske fremskridt, der ligger forude. I podcast-serien The Tech Bet- ween Us er gæsteværterne Mark Patrick, Mousers director of tech- nical content for EMEA, og Leo- nardo Dentone, program chair for ISA Denmark, og de undersøger de faktorer, som driver brugen af industri 5.0 fremad inklusive avancerede robotter, AI-drevne systemer og cyberfysiske fra- meworks, der bygger bro mel- lem menneskers og maskiners samarbejde. I den efterfølgende In Between The Tech-podcast vil Larry Sweet, director of engineer- ing ved Advanced Robotics for Manufacturing (ARM) Institute, behandle de praktiske udfordrin- ger, som ingeniører står over for i implementering af den men- neskefokuserede industrimodel samt de veje, man skal gå for at løse udfordringerne. - Industri 5.0 repræsenterer mere end kun den næste fase i den teknologiske udvikling. Det er et bevidst skridt mod integration af de sociale fremskridt med in- dustriel innovation. Udviklingen udfordrer ingeniører til at gen- tænke den rolle, teknologien spil- ler, for derved at skabe et robust og menneskecentreret industrielt miljø, hvor innovationen betjener såvel produktiviteten og hele samfundets velbefindende, siger Mark Patrick. Serien giver omfattende ressour- cer til professionelle ingeniører inklusive tekniske artikler og brugercases, podcasts, info- grafik, video og abonnements- betalt indhold. Siden 2015 har Mousers Empowering Innova- tion Together-program været ét af industriens mest anerkendte elektronikkomponentprogram- mer. For yderligere information, besøg venligst: https://eu.mouser.com/ empowering-innovation/indu- stry5/. Organisation hjælper danske virksomheder til at finde arbejdskraft i udlandet Ved mangel på kvalificeret ar- bejdskraft og med udfordringer i rekrutteringsprocessen kan det være, at tiden er inde til at rekruttere fra udlandet, og her kan organisationen Work-in- Denmark hjælpe. Work-in-Denmark tilbyder man- ge forskellige services og værk- tøjer, man som virksomhed ganske gratis kan gøre brug af. Work-in-Denmark er en del af Beskæftigelsesministeriet under Styrelsen for Arbejds- marked og Rekruttering. Orga- nisationen er også medlem af det europæiske rekrutterings- netværk, EURES (European Employment Service) under Europakommissionen. Gennem EURES-netværket har Work-in-Denmark adgang til: ● Viden om rekruttering og ud- dannelser i de enkelte lande. ● International eksponering af stillinger på jobportaler, digi- tale medier og jobmesser gen- nem et netværk af over 1000 rekrutteringskonsulenter lokalt i de enkelte EU-lande. ● Fælles europæisk jobportal med CV’er fra mere end 1.000.000 internationale jobsøgere. Work-in-Denmark er specialiseret i at hjælpe danske virksomheder med at rekruttere kvalificerede medarbejdere fra udlandet. Både højtkvalificerede og faglærte. Ved at benytte Work-in-Den- marks service, vejledning og værktøjer når man søger efter nye medarbejdere, har man mu- lighed for at udvide feltet af an- søgere og få adgang til en større talentmasse. Som virksomhed kan man gøre brug af Work-in-Denmarks tre servicepakker, der hver især hjæl- per på vej med international re- kruttering – alt efter behov: 1. Digitale løsninger: Work-in-Denmarks digitale red- skaber er til rådighed for alle virk- somheder – uanset hvilken type arbejdskraft, der efterspørges. 2. Hjælp til rekruttering: Virksomheder, der efterspørger arbejdskraft inden for define- rede mangelområder, kan få håndholdt hjælp til rekruttering af udenlandsk arbejdskraft, her- under eksponering af stillinger i EURES-netværket og på jobmes- ser samt kandidatmatch på kon- krete stillinger. 3. Større rekrutteringsprojekter: Work-in-Denmark samarbejder med brancher og virksomheder med stor efterspørgsel inden for definerede mangelområder om større rekrutteringsprojek- ter, for eksempel målrettet spe- cifikke lande og uddannelsesin- stitutioner. Et af Work-in-Denmarks red- skaber er at deltage i fysiske jobmesser i hele Europa, og de deltager i omkring 50 messer om året fordelt på forskellige brancher. Det er muligt at få stillinger med på messerne til eksponering og match, hvis man slår sine stillin- ger op på Work-in-Denmark.dk. Her er en vejledning til at opslå jobs: https://workindenmark.dk/ til-arbejdsgivere/synliggoer-je- res-stillinger-internationalt/. Man kan også kontakte rekrut- teringskonsulent, Mathias Pors- borg, direkte på MEPO@workindenmark.dk. Logitech fremstiller fortsat kommercielle trackballs, nok mest til professionelle gamere og pc-brugere. Man skal ikke længere end til Elgiganten for at få denne Ergo M575S-trackball, der på mange måder giver den bedste analoge styring af en computer i x-/y-/klik-retningerne. Comprehensive Display Sy- stem – som kunne vise flere objekter på radaren, hvor man kunne scrolle en cursor op/ ned og højre/venstre på en analog styringsplatform. Det bragte Ralph Benjamin på idéen om en trackball, og det oprindelige design blev fak- tisk patenteret så tidligt som i 1947. Fra mekanisk til optisk løsning En trackball er kendetegnet ved en ret gedigen og ”tung” udformning, hvilket grund- læggende skyldes designets analoge oprindelse. Ralph Benjamins trackball funge- rede ved, at en tung stålkugle rullede på gummi-coatede valser, der kunne detektere x- og y-retning for bevægelser- ne, der med trackballen også kunne være trinløst diagonale. Et ganske fikst, men også me- kanisk tricky design, der dog sikrede den grundlæggende funktion og en rigtig god kobling til brugeren, som let kunne overføre ønsket om en given bevægelse til elektro- nikken. Af samme årsag har trackbal- len igennem flere udviklings- trin og designs beholdt sin vægt – også selv om teknikken til registrering af bevægelser- ne har ændret sig fra det rent mekaniske til at have en op- tisk kobling med trackballen tjeningen, og hvor ”klik” kan udføres med et tryk på ballen i designet. Det er et meget be- kvemt styringsinterface. Kuglen i moderne trackballs er oftest udført i fenolresin, der er et dejligt, tungt materiale, som giver en masser rul ved aktivering, men det er ikke en billig løsning, og det har trackballs modsat de senere og langt mere følsomme mus aldrig været. Men komforten har gjort trackballs populære i professionelle high-end ap- plikationer, ikke mindst i Tysk- land, hvor betjeningen selv- følgelig hedder en Rollkugel. Til mere almindelige compu- terbrug er trackballen fuld- stændigt udfaset af primært touch-pad’en – og nok på sigt gestik- og stemmestyring, men til professionelle CAD/ CAM-løsninger og til robuste applikationer som arkadespil er trackballen fortsat populær. Det gælder også i formål som radar- og flystyringer, og man kan blandt andet se trackballs i Airbus A380 på grund af den meget solide og pålidelige funktion i betjeningen. Til kommercielle formål kan man fortsat få trackballs, og Logitech er nok den største producent af trackball-løsnin- ger, men det er i høj grad en teknologi, der hører fortiden til – i hvert fald indtil trackballs måske igen bliver moderne. Det er jo set før … RING TIL NØRDERNE NÅR DU VIL OPTIMERE/UDVIDE DIN PRODUKTION RING 76259090 nr. 2 | februar 2025 23

    ...