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Diseñe de forma rápida y fiable dispositivos médicos y de atención sanitaria energéticamente eficientes

Una solución especializada de análisis de corriente permite a los ingenieros percibir importantes características de las formas de onda y medir el impacto de las necesidades de potencia dinámica y transitoria. Ahora puede actuar con confianza basándose en lo que ve para maximizar el tiempo de funcionamiento de su dispositivo y salvar vidas.

Contar con baterías de duración prolongada y predecible es clave para los dispositivos médicos alimentados por baterías. Una duración insuficiente no es solo algo molesto, sino que puede llegar a provocar la muerte si un dispositivo médico se queda sin alimentación antes de la duración prevista. Los pacientes con implantes como marcapasos o neuroestimuladores, que necesitan que la batería se cambie periódicamente, se beneficiarán enormemente si los implantes tienen una vida útil más prolongada, puesto que la intervención quirúrgica para cambiar la batería es costosa y arriesgada.

La optimización y la gestión del consumo de los dispositivos médicos y sanitarios cobran cada vez más importancia en esta era digital, en la que hay cada vez más dispositivos equipados con tecnologías wireless. Los dispositivos eficientes energéticamente pueden contribuir a ello, por ejemplo, ofreciendo una duración de la batería más prolongada (menor necesidad de cargar o cambiar las baterías) o siendo autosostenibles si se alimentan adecuadamente usando recolectores de energía. No hay que pasar por alto un análisis preciso y fiable de la alimentación, puesto que el diseño y el análisis de mala calidad pueden provocar problemas como un tiempo de funcionamiento reducido, periodos de alto drenaje de corriente imprevistos y mal funcionamiento del dispositivo.

¿Dónde, cuándo y cuánto?

Antes de poder siquiera empezar a optimizar el tiempo de funcionamiento o reducir el consumo de energía de un dispositivo, primero hay que caracterizar el propio dispositivo, sus subcircuitos y la batería, de forma independiente o combinada. Por ejemplo, hay que determinar la duración y la cantidad de energía consumida en cada actividad o estado operativo. También es importante caracterizar la transición entre los diferentes estados. Lo ideal sería caracterizar los perfiles operativos del dispositivo de forma continua en una única adquisición. Esto conlleva abordar tres desafíos de medida:

Desafío 1: alto rango dinámico

Puesto que la tensión se mantiene relativamente constante, la corriente es el parámetro de prueba que varía en gran medida. Desde el estado de reposo hasta el de transmisión, la corriente puede variar hasta 4 o 5 órdenes de magnitud. En el caso de un dispositivo wireless, esto depende de la diferencia entre la corriente mínima que el dispositivo puede alcanzar en el modo reposo y el drenaje máximo de corriente durante la transmisión wireless. Para entender mejor los requisitos de energía del dispositivo, es esencial poder medir estos cambios de corriente dinámica.

Desafío 2: baja corriente

Los diseños y las tecnologías de baja potencia permiten conseguir dispositivos más eficientes desde el punto de vista energético. Los modernos dispositivos de monitorización ponibles (wearables), ya sean relojes inteligentes, auriculares o parches para el pecho, integran componentes de potencia ultrabaja que consumen poquísimo. La capacidad de medir baja corriente con una precisión y una resolución por debajo del nivel de los microamperios permite diseñar y desarrollar dispositivos de baja potencia, puesto que cada microamperio cuenta.

Desafío 3: alto ancho de banda

Para ahorrar energía, los dispositivos portátiles han sido diseñados con el fin de evitar el consumo innecesario, por lo que pasan el mayor tiempo posible en el modo en espera o en otro modo de ahorro de energía similar. Para caracterizar comportamientos transitorios y la naturaleza pulsada del drenaje de corriente en los modos de ahorro de energía, se necesita suficiente ancho de banda de medida. Un alto ancho de banda está relacionado con una alta velocidad. Esto significa que las señales con una oscilación rápida y un factor de cresta elevado que incluyen sobreoscilaciones (overshoot) y oscilaciones transitorias (ringing) se pueden resolver utilizando instrumentos con un ancho de banda adecuadamente elevado. Las herramientas típicas de medida de corriente, como el multímetro digital y el osciloscopio, no son capaces de abordar los desafíos de medida descritos anteriormente. Cada una de estas herramientas tiene sus limitaciones de medida, que pueden traducirse en malos resultados y una información inexacta, lo que acaba dando lugar a frustración.

La imprecisión derivada de usar unas herramientas que no son idóneas puede provocar un error considerable y hacer que los dispositivos funcionen incorrectamente o tengan una vida útil más corta de lo previsto. La caracterización y el análisis precisos del perfil de corriente dinámica de un diseño son esenciales y presentan numerosos beneficios. Pueden ayudarle a tomar decisiones mejor informadas al compensar la funcionalidad, el tiempo de funcionamiento y el coste del dispositivo. Aceleran la toma de decisiones al elegir la estrategia de comunicación o la iteración del diseño correctas. Se evitan las imprecisiones tanto por infravalorar los requisitos de energía como por sobrevalorar la eficiencia energética, lo que permite conseguir dispositivos óptimos y fiables para el sector médico y de atención sanitaria.

Un planteamiento de solución integrada proporciona nuevos datos

Keysight ha desarrollado una solución de análisis de potencia integrada específicamente para abordar los desafíos de gestión de la alimen tación a los que se enfrentan los diseñadores y los desarrolladores de dispositivos portátiles. Esta solución está compuesta por el analizador de potencia DC N6705C, las unidades de fuente/medida (SMU) de 2 cuadrantes N6781A o N6785A y el software de control y análisis 14585A.

Las SMU incorporan una fuente de alimentación DC programable precisa y de respuesta rápida, así como un innovador sistema de medida integrado. La fuente de alimentación DC se puede usar como emulador de batería. Durante la fase de prueba y desarrollo del dispositivo, es mejor utilizar un emulador de batería que una batería real, puesto que así se reduce el tiempo de configuración de la prueba, se consigue un entorno de prueba más seguro y se obtienen resultados más repetibles. Los factores fundamentales del análisis del drenaje de corriente son la capacidad para realizar medidas de corriente rápidas en un amplio rango dinámico y unos estados de baja corriente precisos. El rápido rango integrado de las SMU permite realizar un único pase de adquisición desde valores inferiores a los microamperios hasta amperios con una precisión de medida del 0,03%.

Es como tener una resolución vertical de 28 bits con una resolución de temporización de 5 μs. La capacidad de medida integra da, combinada con una función de registro de datos, permite adquirir tensión, corriente y potencia a lo largo del tiempo. Esto no solo hace que ya no sea necesario utilizar una hoja de cálculo sino que, lo que es más importante, permite a los ingenieros evaluar y analizar de forma eficaz las características dinámicas y transitorias del drenaje de corriente. Por ejemplo, se pueden obtener fácilmente el requisito de energía y la duración de cada actividad y observar cualquier comportamiento imprevisto en los diferentes estados operativos.

Se pueden conseguir nuevos datos analizando los perfiles de drenaje de corriente, adquiridos con la función de rango integrado y registro de datos, usando herramientas como la función de distribución acumulativa complementaria (CCDF). La CCDF indica cuánta corriente se ha drenado durante un porcentaje específico del registro de datos. Comparando los gráficos de CCDF de las iteraciones de diseño, los ingenieros pueden visualizar y cuantificar de forma rápida y sencilla el impacto detallado de los cambios realizados. Esto resulta extremadamente útil al optimizar el rendimiento del dispositivo para conseguir un tiempo de funcionamiento más prolongado o un consumo de energía más reducido. La herramienta de CCDF también puede utilizarse para documentar el impacto de las versiones de hardware y firmware en el consumo de energía del dispositivo.

Ejemplo de un tensiómetro

En la figura 1 se muestra el perfil de drenaje de corriente de Blip, un tensiómetro inalámbrico, usando la solución integrada del analizador de alimentación DC de Keysight. Proporciona una caracterización detallada del perfil de drenaje de corriente dinámica del tensiómetro desde el modo en suspensión, pasando por todo el ciclo de medida, hasta volver de nuevo al modo en suspensión. En las figuras 2 y 3 se ven, respectivamente, el perfil de drenaje de energía y la vista de la CCDF de la misma adquisición.

Conclusión

El panorama de la atención sanitaria se encuentra en un momento de cambio. Los avances tecnológicos abren las puertas a nuevas capacidades de monitorización, diagnóstico y tratamiento. Los dispositivos médicos y de atención sanitaria ponibles son cada vez más populares y la atención sanitaria a domicilio se dirige hacia un sistema de cuidados más basado en el valor. Los dispositivos energéticamente eficientes beneficiarán en gran medida tanto a los usuarios de los dispositivos como a los fabricantes. Para los usuarios, conllevan una mejora en la calidad de vida y la atención sanitaria recibida. Para los fabricantes de dispositivos, supone distinción y ventaja competitiva con dispositivos fiables que ofrecen un tiempo de funcionamiento más prolongado e incluso sobresaliente. Suscríbase al webcast a la carta de Keysight para obtener más información sobre resolución de desafíos de diseño y prueba para mejorar la precisión, la fiabilidad y el rendimiento de sus dispositivos médicos de próxima generación.



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