죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

일차전지를 사용하는 원격 환자 모니터링 애플리케이션용 전원공급장치 설계 고려사항

PDF 다운로드

글/파하드 마수드(Fahad Masood), 아나로그디바이스 엔지니어(MTS) 

원격 환자 모니터링(remote patient monitor, RPM)은 의사가 환자의 건강 상태를 더 잘 파악할 수 있게 하는 보다 많은 기능들을 포함하면서 계속해서 진화하고 있다. 이러한 디바이스들은 흔히 일차전지 배터리를 사용해서 구동된다. 이 글에서는 심전도계(ECG) 원격 환자 모니터링 패치용 전원공급 솔루션을 설계할 때 배터리 수명을 연장할 수 있는 방법에 대해 설명한다. 아울러, RPM 용으로 배터리 사용 시간을 정확히 계산하고, 제품 보관 시에 배터리 수명을 연장하는 방법에 대해서도 알아본다.

머리말

사물 인터넷(IoT)이 진화함에 따라 의료 분야에서도 헬스케어 서비스 제공자들이 첨단 기술을 활용해서 환자를 실시간으로 보호하는 방법에도 일대 변화가 일어나고 있다. 오늘날 원격 환자 모니터링(RPM)은 의료진이 혁신적인 의료 디바이스를 사용해서 환자와 전혀 새로운 방식으로 상호작용할 수 있게 해준다. 수십 년 된 구식 장비는 보다 소형화된 IC와 무선 통신 기술 덕분에 향상된 기능성과 폼팩터로 환자의 치료 효과를 높일 수 있게 업데이트가 가능해졌다. 과거의 거추장스러운 홀터(Holter) 장비를 대체하여, 첨단 RPM 패치는 다양한 센서들을 사용해서 심박수, 체온, 가속도계 데이터를 포착한다. 이러한 패치들은 환자 데이터를 클라우드로 전송하여, 환자와 의사가 이 데이터에 실시간으로 접근할 수 있게 해준다.

이들 디바이스는 의사가 환자를 더 잘 파악하도록 돕지만, 다른 한 편으로 전원공급장치 설계 엔지니어에게는 시스템 성능과 배터리 수명 요구 사이에서 균형을 이루어야 하는 과제를 제기한다. 2세대 패치는 정확도와 기능성을 높이고자 더 다양한 방식의 센서들을 사용함으로써 전원장치에 대한 요구를 더더욱 까다롭게 한다.

이 글에서는 그림 1의 ECG RPM 패치를 예로 들어서 설명한다. 이 패치는 ECG와 가속도계를 지속적으로 모니터링하고 매 15분마다 체온을 측정한다. 이 데이터는 2시간마다 블루투스 저에너지(BLE)를 통해서 전송되므로 하루에 총 12회의 BLE 전송이 이루어진다. 이 패치는 표준 모니터링 모드, 체온 모니터링 모드, 전송 모드의 저마다 다른 부하 프로파일을 가진 3가지 모드로 동작한다. 표준 모니터링 모드는 ECG와 가속도계만 모니터링한다. 체온 모니터링 모드는 추가적으로 온도 센서를 모니터링한다. 전송 모드는 ECG와 가속도계 데이터를 모니터링하면서 BLE 무선을 통해서 데이터를 전송한다.

[그림 1] ECG 패치 전원공급장치 다이어그램. 235mAh CR2032 리튬 코인 배터리가 전압 레귤레이터, 마이크로컨트롤러, ECG 프런트엔드, 온도 센서, 가속도계로 전원을 공급한다.

전원장치 설계 과제

ECG 패치 같은 RPM 디바이스를 설계하기 위해서는 전원장치 설계 엔지니어가 많은 설계 과제를 해결해야 한다. 이러한 디바이스는 공간이 제한적이며, 여러 센서를 포함하는 패치가 여러 개의 전원 레일을 필요로 할 수 있다. RPM 패치는 대체로 일회용으로 설계되므로, 코인셀 배터리가 설계자가 이용할 수 있는 가장 경제적인 전원이다. 오로지 코인셀 배터리만을 사용해서 패치로 전원을 공급하기 위해서는 전원장치 서브시스템들의 효율 역시 중요하게 고려해야 한다.

전원장치 설계자가 간과하기 쉬운 또 다른 과제는 최종 제품의 유통 기한을 연장하는 것이다. 셧다운 전류와 배터리 자체 방전이 시스템 수명을 단축할 수 있다. 따라서 설계자는 자신이 설계하는 RPM 패치가 통상적인 유통 기한 이후에도 동작 시간 요건을 충족할 수 있을지 판단해야 하며, 그러지 못할 것 같으면 제품이 최종 사용자 손에 도착하기까지 배터리 수명을 연장할 수 있는 방안을 강구해야 한다.

배터리 사용 시간 계산

전원 솔루션이 배터리 수명 요건을 충족할지 정확하게 판단하기 위해서는 부하 프로파일을 계산해야 한다. 부하 프로파일은 시스템의 부하 듀티 사이클을 표현한 것으로서, 이 글에서 설명하는 원격 환자 모니터링 패치의 경우는 앞서 말한 것처럼 표준 모니터링 모드, 체온 모니터링 모드, 전송 모드의 세 가지 동작 모드를 고려해야 한다. 

표준 모니터링 모드일 때, 이 패치의 전류 소모는 1.88 mA이다(각각의 벅 컨버터의 330nA 대기 전류와 MCU의 전류 소모 포함). 체온 모니터링 모드에서는 매 15분마다 200ms 동안 1.95mA의 전류를 소모한다. 전송 모드에서는 매 2시간마다 30초 동안 BLE를 통해 데이터를 전송하면서 7.90mA의 전류를 소모한다. 이들 값은 각 디바이스의 데이터 시트에서 동작 전류 및 대기 전류 사양을 확인해서 구할 수 있다.

부하 프로파일 분석을 위해서는 각 동작 모드에서 하루 동안의 듀티 사이클을 계산한다. 이것은 공식 1을 사용해서 계산할 수 있다:

그러면 표 1과 같이 듀티 사이클을 구할 수 있다.

[표 1] 패치 동작 모드별 듀티 사이클

[그림 2] 부하 프로파일 다이어그램

그림 2의 부하 프로파일을 사용해서 이 패치의 전류 소모를 계산할 수 있다. 각 동작 모드별 전류 소모를 반영한 하루 동안의 평균 전류 소모량은 공식 2와 같이 계산할 수 있다:

이는 다음과 같이 계산할 수 있다:

• 하루 동안의 표준 모니터링 모드 전류 소모 = 표준 모니터링 모드 전류 × 표준 모니터링 모드 듀티 사이클 × 24시간

• 표준 모니터링 모드 전류 소모 = 1.88mA, 표준 모니터링 모드 듀티 사이클 = 0.9956

• 하루 동안의 표준 모니터링 모드 전류 소모 = 1.88mA × 0.9956 x 24시간 = 44.92mAh/일

각 동작 모드별 전류 소모를 계산했다면 공식 3을 사용해서 배터리 사용 시간을 계산할 수 있다:

이는 다음과 같이 계산할 수 있다:

• 배터리 용량 = 235mAh

• 하루 동안의 표준 모니터링 모드 전류 소모 = 44.92mAh/일

• 하루 동안의 체온 모니터링 모드 전류 소모 = 0.01mAh/일

• 하루 동안의 전송 모드 전류 소모 = 0.79mAh/일

• 배터리 사용 시간(일) = 235mAh/(44.92mAh/일 + 0.01mAh/일 + 0.79mA/일) = 5.14일

이 계산 결과를 보면, 배터리 사용 시간은 5.1일 이상으로서 5일 사용 시간 요구를 충족하는 것으로 나타난다. 하지만 여기에는 하나의 함정이 숨어있다. 이 계산에는 시스템 보관 시의 전류 소모가 반영되지 않은 것이다. 의료 기기는 통상적으로 14개월의 보관 기간(12개월은 보관하고 2개월은 운송)을 고려해서 설계해야 한다. 

유통 기한과 관련한 고려사항

CR2032 배터리의 연간 1%~2% 자체 방전 비율과 시스템에 장착된 디바이스들의 셧다운 전류를 고려하면 14개월 후에 배터리 용량이 5일의 사용 시간을 만족하기에는 불충분하며, 따라서 배터리 실(seal)이 필요하다는 것을 알 수 있다.

[표 2] 14개월 후의 배터리 용량

보관 선반 위에서 14개월을 보낸 후에 배터리 용량은 크게 감소할 것이다. CR2032의 에너지 중에서 거의 40퍼센트가 보관 중에 셧다운 전류와 배터리 자체 누설에 의해서 소모된다. 공식 3에 이 배터리 용량을 대입해서 좀더 정확한 사용 시간을 계산할 수 있다:

• 배터리 사용 시간(일) = 146.66mAh/(표준 모니터링 모드 + 체온 모니터링 모드 + 전송 모드)

• 배터리 사용 시간(일) = 146.66mAh/(44.92mAh/일 + 0.01mAh/일 + 0.79mA/일) = 3.21일

일년 넘게 보관 선반 위에 놓여 있으면서 배터리 용량은 배터리 자체 방전과 시스템 셧다운 전류에 의해 점점 감소된다. 배터리 자체 방전은 배터리 소재와 환경에 의해 영향을 받는다. CR2032 배터리는 리튬 망간 소재이고 자체 방전 비율은 연간 1% ~ 2%이다. 제품을 보관만 하고 있는데도 코인셀 용량이 일년 후에 2% 감소하는 것이다. 이에 비해서 BR2032 배터리는 리튬 불화탄소 소재이고 자체 방전 비율은 연간 0.3%이다. 그러므로 자체 방전 비율이 낮은 소재가 더 좋을 것으로 생각될 수 있는데, 꼭 그렇지만은 않다. BR2032 배터리는 방전 비율은 더 낮지만 200mAh인 CR2032 배터리 셀보다 용량은 더 적다. 위의 공식을 사용하면 이처럼 용량이 더 낮은 배터리가 적절할지 판단할 수 있다.

이 ECG 패치의 경우에는 IC 셧다운 전류가 시스템을 사용하지 않는 동안에 배터리 용량을 감소시키는 가장 큰 요인이다. IC가 실행되지 않고 어떠한 부하도 동작하지 않는데도 셧다운 전류는 소모된다. 이는 무부하일 때도 IC에서 누설이 발생하고 IC 내의 ESD 보호 소자들이 약간의 전류를 소모하기 때문이다. 이러한 전류는 대개 낮은 수준이기는 하지만(1μA 미만) 기간이 오래된다면 배터리 수명에 중대하게 영향을 미칠 수 있다. 이 RPM 패치의 경우, 셧다운 전류가 일년에 40%씩이나 배터리 용량을 감소시킨다. 따라서 배터리 실을 사용해서 셧다운 시에 전류 소모를 제한할 수 있다.

배터리 실은 두 가지 방식을 사용할 수 있다. 마일라 풀 탭(mylar pull tab) 형태의 기계식 배터리 실과 로드 스위치(load switch) 형태의 전기식 배터리 실이 그것이다. 마일라/플라스틱 풀 탭은 기계식 배터리 실로서, 배터리와 시스템 사이에 플라스틱 탭을 끼워 넣는 것이다. 이 제품을 사용하려면 사용자가 이 플라스틱 탭을 제거해야 한다. 그러면 배터리가 시스템으로 전원을 공급하기 시작한다. 이 방법은 예전부터 사용되어 오던 간단하고 저렴하며 검증된 방법이다. 하지만 의료 장비용으로는 이 솔루션을 사용하기가 여의치 않을 수 있다. 방수 기능이 요구되는 ECG 패치의 경우, 마일라 탭을 끼우기 위한 슬롯 때문에 패치가 물에 의한 손상에 취약해질 수 있다. 또한 손놀림이 부자유스러운 최종 사용자라면 작은 플라스틱 탭을 제거하기가 어려울 수 있다.

이럴 때는 전기식 배터리 실로서 비쉐이(Vishay) SiP32341 같은 로드 스위치가 더 나은 선택일 수 있다. 이 디바이스는 FET로서, 개방될 때 배터리를 시스템의 나머지 부분과 차단한다. 이때 배터리에서 소모되는 것은 SiP32341 셧다운 전류뿐이다. 기기를 사용할 준비가 되었으면 버튼을 눌러 로드 스위치의 로직 제어 라인을 켤 수 있다. SiP32341은 정격 셧다운 전류가 14pA로서, 배터리 실을 사용하지 않을 때 전체 시스템의 전류 소모와 비교하면 상당히 향상된 것이다. SiP32341을 배터리 실로서 사용하면 CR2032 일차전지가 14개월 후에 용량을 99.97% 유지한다. ECG 패치 셧다운 전류로부터 배터리를 보호하기 위해서 배터리 실을 사용하지 않을 때는 CR2032 일차전지가 원래 용량의 62.39%만을 유지한다. 이 37% 용량 차이로 인해 ECG 패치는 14개월의 보관 기간 후에 5일의 사용 시간 요구를 충족할 수 있다.

[표 3] 배터리 실을 사용했을 때 14개월 후의 배터리 용량

배터리 실을 사용해서 시스템 내의 디바이스들이 배터리로부터 셧다운 전류를 소모하는 것을 차단함으로써 배터리 용량을 유지할 수 있다. RPM 패치를 14개월 동안 보관한 후에 배터리 용량의 99.9% 이상을 유지할 수 있다.

공식 3에 이 배터리 용량을 대입해서 좀더 정확하게 배터리 사용 시간을 계산할 수 있다:

• 배터리 사용 시간(일) = 230.25mAh/(표준 모니터링 모드 + 체온 모니터링 모드 + 전송 모드)

• 배터리 사용 시간(일) = 230.25mAh/(44.92mAh/일 + 0.01mAh/일 + 0.79mA/일) = 5.04일

맺음말

의료 기기용 전원장치를 설계할 때는 시스템이 동작할 때와 셧다운/저전력 모드일 때의 배터리 소모를 잘 계산해야 한다. 이 글에서는 심박수, 체온, 가속도 데이터를 측정하고 BLE 통신을 하는 ECG 패치를 예로 들어서 설명했다. 이 분석은 일차전지 배터리를 사용해서 구동하는 어떤 의료용 디바이스에나 적용될 수 있다. 

[참고문헌]

Smith, Marc. “Application Note 7487: Power Supply Subsystem for MAX30001-Based ECG Remote Patient Vital Sign Monitor.” Analog Devices, Inc., June 2021.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>