基于电池的无线内窥镜中微型能量管理单元的研制

　　1　引　　言

　　消化道无线内窥镜系统中能源的供应方式有2种,一种是钮扣电池供电方式,另一种是无线能源传输方式。无线能源传输方式设计复杂,存在能量传输“死角”,因此现在的无线内窥镜摄像胶囊(如以色列Giving Image公司生产的M2A无线内窥镜摄像胶囊[1])一般采用钮扣电池的供电方式。

　　无线内窥镜摄像胶囊采用钮扣电池供电,方案设计相对简单,但钮扣电池能量有限,且不适合在大电流情况下工作。因此,采用钮扣电池供电,除了要求摄像胶囊的各个模块尽量做到微功耗外,同时要求做到对能源的有效管理,否则摄像胶囊难以完成对整个小肠的检查。以M2A摄像胶囊为例,M2A采用2节钮扣电池供电,所用图像传感器的功耗仅有17 mW,非常省电,但要保证该胶囊能工作6~8 h,每秒钟采集2帧图像,M2A胶囊必须对能源进行有效管理,采用了断续供电的工作方式。因此,摄像胶囊采用钮扣电池供电,需对能源进行有效管理,提供长时间的、稳定的电压输出。

　　下面具体介绍无线内窥镜中基于电池的微型能量管理单元的设计。

　　2　钮扣电池的工作特性

　　采用钮扣电池来进行能源供应,首先应当注意的是钮扣电池的工作特性。

　　钮扣电池适合在微小电流状态下工作,工作电流普遍不到1 mA,工作时间可以很长,达半年以上。但在大电流输出情况下,其电压衰减很快,不适合大电流的工作状态。这是因为电池内阻可分为欧姆内阻和电化学内阻(电化学反应时极化引起的内阻),大电流放电时,内阻对放电特性的影响尤为明显。低温大电流放电时,电极的极化大,活性物质不能得到充分利用,电池的电压下降快;小电流放电时,电极的极化小,活性物质能得到较充分的利用[223]。

　　不同规格型号、不同材料的钮扣电池,储存的电量差别较大,电能储量从几十mA·h到一百多mA·h不等。本文选用的一种高能量钮扣电池是碱性锌锰电池,型号为357A[4],标称电压1.5 V,标称容量为150 mA·h。

　　图1为该电池生产公司提供的电池放电测试曲线。

　　在放电测试中,钮扣电池的两端串入6.8 kΩ的电阻,从1.5 V到1.2 V大约花了500 h,工作电流为1.5 V/6.8 kΩ=0.22 mA,大约耗能110 mA·h。选用该种钮扣电池2节,总电压为3 V,采用lf175125升压稳压模块输出5 V的电压。药丸的工作电流在50 mA左右,实验验证输入端电流大约为80 mA。

　　110 mA·h/80 mA=1.375 h。理论上它应当可以工作一个多小时,但实际上仅过了2分多钟,单节钮扣电池的电压就衰减到了1.2 V。这说明钮扣电池虽然有很高的电能容量,在微电流状态下可以工作很长的时间,但在大电流输出情况下,电压衰减很快,并不适合大电流的工作状态。