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Lineare Lade-ICs für Wearables: Smarte Ausdauerspezialisten

Wearables werden die Medizin revolutionieren, davon sind Experten überzeugt. Dafür müssen die smarten Gadgets jedoch noch etwas an ihrer Performance arbeiten. Insbesondere bei der Ausdauer schwächeln viele Anwendungen.

© jdjuanci/Fotolia Bildquelle: © jdjuanci/Fotolia

Intelligente Kleidungsstücke, die das Wundliegen verhindern, indem sie mithilfe sanfter Stromschläge die Blutzirkulation anregen. Schuhe, die anormale Gehweisen korrigieren. T-Shirts, die anhand der Atmung und der Herzaktivität Stress erkennen. Socken, die die Gesundheit von Kleinkindern überwachen und die Daten an das elterliche Smartphone übertragen. Die Breite der Möglichkeiten für den Einsatz von Wearables in der Medizin ist beeindruckend – auch unter wirtschaftlichen Aspekten. Angeführt vom Healthcare-Sektor, wird der Markt von 20 Mrd. US-Dollar im Jahr 2015 voraussichtlich auf nahezu 70 Mrd. US-Dollar im Jahr 2025 expandieren. [1]

Viele der auf dem Markt verfügbaren Wearables zur Gesundheitsüberwachung sind als reine Einwegprodukte konzipiert oder besitzen Batterien, die ausgetauscht werden müssen. Immer öfter sind die Geräte jedoch mit einem Smartphone oder Tablet verbunden; messen nicht nur Werte, sondern senden diese auch weiter (Bild 1, Bildergalerie). Das kostet Strom, sodass Einweg-Batterien möglicherweise nicht mehr ausreichen und Hersteller auf wiederaufladbare Batterien umschwenken sollten.

Wenig Power, wenig Einsatz

Der Vorteil der intelligenten Begleiter resultiert aus ihrer Fähigkeit, rund um die Uhr im Einsatz zu sein. Je sperriger ein Gerät ist und je häufiger es geladen werden muss, umso geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es vom Anwender tatsächlich getragen wird. Flache und leichte Produkte, die nur minimale Aufmerksamkeit erfordern, setzen sich im Markt durch. Deshalb sind kleine Lösungsabmessungen im Verbund mit möglichst langen Ladeintervallen eine wichtige Anforderung an Akkuladeschaltungen für solche Anwendungen – zum Beispiel der bq25120A von Texas Instruments (Bild 2).

Die zunehmende Weiterentwicklung der Geräte und der Umstieg auf Akkus könnte die große Chance für lineare Ladegeräte sein. Mit den eingebauten Akkus wären Wearables so konstruierbar, dass sie möglichst kompakt und bequem für den Benutzer sind. Da hier in der Regel Akkus geringer Kapazität zum Einsatz kommen, ist eine präzise Regelung des Stroms während des Ladezyklus erforderlich. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Akkus möglichst vollständig geladen werden.

Bauteile wie etwa Gleichspannungswandler, die für den Betrieb nötig sind, sollten in der Ladeschaltung integriert sein. Das verringert die Größe und reduziert Materialkosten. Bild 3 zeigt als Beispiel das Blockschaltbild eines Temperaturmesspflasters. Dieses wird anstelle eines Thermometers verwendet, um die Körpertemperatur eines Kindes oder eines Patienten zu messen und die Messwerte an ein mobiles Endgerät zu senden. Das System benötigt mehrere Versorgungsspannungen, die durch Abwärtswandlung aus der Akkuspannung erzeugt werden müssen. Der bq25120A kombiniert die sechs erforderlichen Bauelemente in einem einzigen Baustein, was die Abmessungen der Gesamtlösung so weit verringert, dass sich diese auch bei knappen Platzverhältnissen unterbringen lässt.

Gehen, messen, laden

Die Genauigkeit des Ladestroms steht im Zusammenhang mit der verfügbaren Kapazität, die im Akku zwischen den Ladezyklen wiederhergestellt werden kann. Beendet man das Laden erst bei 1 mA, so erhöht sich die verfügbare Batteriekapazität um weitere 5 % gegenüber einem Ladeende-Strom von 4 mA (Bild 4). Ausschlaggebend dafür, wie lange das jeweilige Gerät mit einer Akkuladung auskommt, ist auch der Strom, den das IC ohne Last aufnimmt. Je weniger Strom die Akkuladeschaltung benötigt, umso mehr Energie steht für den Betrieb des Systems zur Verfügung. Der bq25100 beispielsweise hat einen Leckstrom von 75 nA, der gegenüber der Selbstentladerate der Batteriezelle vernachlässigt werden kann.  

Ein »Power-Path« ist eine weitere wünschenswerte Funktionalität von Lade-ICs. Dieser ermöglicht das Laden des Akkus, während gleichzeitig das System mit Strom versorgt wird. Das betreffende Gerät ist also auch während des Ladevorgangs verwendbar. Sinnvoll ist diese Funktion unter anderem dann, wenn Applikationen mit Energy-Harvesting-Lösungen kombiniert werden. Das betreffende Gerät kann dann geladen werden, während der Benutzer es am Körper trägt.

Quellen:
[1] The National Center for Biotechnology Information