배터리 구동식 의료 장치의 배터리 수명 측정과 이를 위한 솔루션

배터리 소모 테스트 시 고려해야 할 사항

배터리 소모 테스트는 완전히 충전된 배터리가 방전되는 데 걸리는 시간, 즉 배터리가 작동을 중단할 때까지의 시간인 ‘배터리 런타임’을 측정하는데, 이 때문에 배터리 런타임은 배터리 소모 테스트에 의해 결정된다.

설계 엔지니어가 이 같은 테스트를 진행할 때 고려해야 할 측면이 많아 실제 테스트를 수행하는 데 있어서 다양한 애로사항이 발생할 수 있는데, 이 때문에 엔지니어는 다음과 같은 4가지 사항을 최우선적으로 고려해야 한다.

• 고려 사항

1. 배터리 수명의 비일관성

다양한 배터리 사이에서 발생하는 배터리 수명의 비일관성은 동일한 제조업체 내에서도 발생할 수 있는 일반적인 문제다. 일반적으로 이 문제의 주요 이유는 배터리가 다양한 제조 단위 또는 공장 현장으로부터 납품되기 때문인 것으로 추정되고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 권장되는 방법은 엔지니어가 다른 배터리로 소모 테스트를 몇 차례 수행하는 것이다.

2. 배터리 충전 조건

테스트 진행 시 엔지니어가 완전히 충전된 배터리를 활용하는 것이 적합한데, 그 이유는 배터리가 구형이거나 부분적으로 충전됐을 때에는 런타임 결과에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다 이를 해결하기 위한 방법으로는 엔지니어가 배터리 충방전기를 활용해 배터리의 완전 충전 여부와 상태를 확인한 후 완전 방전 상태에서 배터리를 완전 충전 상태까지 충전하는 것을 들 수 있다.

3. 의료 장치 이용 사례

의료 장치는 모드에 따라 전류 소비량에서 차이를 보이는 특성을 지니고 있기 때문에 엔지니어는 이를 고려해 장치 이용 사례 테스트 파라미터를 상수 변수로 설정해야 한다. 만약 엔지니어가 이 조치를 취한다면, 각 테스트상의 변수가 소모 테스트를 진행하는 동안 상수로 변하게 된다.

4. 장치 작동 중단 시기 및 배터리 방전 시기 결정

일부 의료 장치에는 배터리 부족을 알리는 LED 지시등이 있어 배터리 전력 부족 시 이를 알리는 신호가 발생한다. 하지만 심박 조율기와 같은 장치에는 배터리 부족 표시기가 없기 때문에 엔지니어는 이를 고려해 낮은 전압 임계치에서 배터리 전압을 측정한 후 이 전압을 장치의 작동을 중단시키는 시기의 지표로 활용해야 한다.

배터리 시뮬레이션으로서의 전원 공급기

일부 설계 엔지니어는 소모 테스트 진행 중에 전원 공급기를 활용해 배터리를 시뮬레이션하는데, 이 방법은 전체 테스트 과정에서 더 많은 오류와 변수를 발생시킬 수 있어 정확성과 실용성을 보장할 수 없다.

게다가 전원 공급기가 실제 배터리처럼 소모되지 않기 때문에 더더욱 적절한 방법이 될 수 없는데, 그럼에도 불구하고 소모된 전류 펄스에 대해 조정 가능한 출력 저항 및 적절한 과도 현상 응답과 같은 특수 기능을 지니고 있는 전원 공급기는 배터리 에뮬레이션에 활용될 수 있다.

하지만 소모 테스트가 진행되는 동안 전원 공급기에서 의료 장치로의 충전이 진행된 만큼 전원 공급기의 출력 전압이 감소해야 하기 때문에 이 방식은 매우 복잡하다고 할 수 있다. 이에 더해 시뮬레이션 데이터 수집 프로세스는 시간이 오래 걸리는데다가 엔지니어가 배터리를 활용해 획득한 결과와 불일치하는 경우가 발생할 수도 있어 결과를 쉽게 믿을 수가 없다.

이 때문에 보다 현실적인 시뮬레이션 접근 방식 활용이 실현 가능해질 때까지는 배터리를 활용하는 소모 테스트가 더 높은 선호도를 가질 수밖에 없다.

전압 및 전류 측정에 필요한 측정 장비

장치를 설계하는 엔지니어는 소모 테스트 진행 도중에 발생하는 현상을 꼼꼼히 살펴보길 바라는데, 이 때 시간에 따른 전압과 전류에 관한 그래프를 그려보면 명확한 결과물을 얻을 수 있다. 한편, 배터리와 의료 장치를 통해 흐르는 전압과 전류를 측정하기 위해서는 일반적으로

▲ DMM(디지털 멀티 미터) 2대 ▲ 2채널 데이터 로거 또는 2 채널 디지타이저 ▲ 오실로스코프 등의 측정 장치가 필요한데, 이 때 전류 측정이 배터리 전압 측정보다 더 중요하다.

감쇠하는 전압 파형을 캡처하기 위한 측정은 일반적인 DMM이나 데이터 로거만으로도 충분하지만, 각 장치에는 절전 모드/대기 모드/활성 모드/무선 데이터 송신 모드(무선 장치용) 등의 다양한 전류 소비 방식이 적용되어 있어 전류 측정 시에는 고속 디지타이저가 필요하다.

활성 모드에서는 장치가 최대 수백 mA의 전류를 소모하는 반면에 절전 모드에서는 ㎂만 소모하는데, 만약 엔지니어가 장치를 켜고 끄는 행위를 지속적으로 반복할 시에는 높은 전류 스파이크와 과도 현상 효과가 발생하게 되어 DMM이 빠르게 변화하는 전류 파형을 적절히 캡처하지 못하게 된다. 일반적으로 DMM 내부에는 교정된 전류 션트가 내장되어 있는데, 이는 엔지니어가 DMM을 전류계로 구성할 때 부담 전압을 유발하는 요인으로 작용한다.

이 때문에 DUT(Device Under Test)에서 전압이 감소하는 현상이 일어나 전체 회로에 대해 최대 수백 mV에 이르는 부담을 줄 수 있다. 디지타이저는 파형의 빠른 변화를 캡처할 수 있는 충분한 대역폭을 지니고 있어 장시간에 걸쳐 빠르게 변화하는 파형을 측정하기에 적합하다.

하지만 디지타이저는 전류를 직접 측정하지 않아 전류 션트가 필요한데, 이 때문에 엔지니어는 mA에서 A로 전환되는 광범위한 동적 전류 측정에 적합한 션트를 선정할 수 있는 안목을 갖춰야 한다.

만약 엔지니어가 선택한 션트의 크기가 낮은 전류 측정을 위한 것일 경우 션트 전체에서 전압 강하가 크게 발생하게 되어 회로에 부담 전압이 가해지지만, 선택한 션트의 크기가 높은 전류 측정을 위한 것일 경우에는 디지타이저가 포착하는 전압이 불충분해 낮은 전류 측정이 부정확하게 이뤄질 수 있다.

오실로스코프는 동적 전류 측정을 위한 충분한 대역폭과 높은 업데이트 속도를 제공하기 때문에 전류와 전압 측정 파형을 표시하는 데 적합한 솔루션이다. 이에 더해 오실로스코프는 디지털 버스와의 시간 상관이 높은데다가 신호를 정확하게 캡처하는 데 필요한 다양한 트리거링 기능을 지니고 있다.

하지만 오실로스코프도 측정에 적합한 전류 션트를 선택해야 하는 디지타이저의 과제를 지니고 있는데, 그 이유는 높은 전류 측정에 있어서 허용 가능한 부담 전압을 갖거나 우수한 저전류 측정을 획득할 가능성이 낮기 때문이다.

그럼에도 불구하고 오실로스코프는 50㎂의 낮은 전류와 5A의 최대 전류 범위를 포괄할 수 있는 높은 감도의 전류 프로브와 함께 활용될 수 있어 큰 신호와 넓은 파형에 관한 세부 사항을 표시할 수 있다.

배터리 소모 테스트를 위한 키사이트의 솔루션

효율적인 배터리 소모 테스트를 위해 지금까지 설명한 요소들을 고려해야 하는 엔지니어들에게 키사이트는 최대 3A의 전류가 필요한 배터리 구동식 장치의 소모 테스트를 지원하는 N6781A 배터리 드레인 분석기와 턴키 소프트웨어를 제공하고 있다.

N6781A는 제로 부담 전류계로 구성할 수 있는데, 이는 배터리와 장치 간의 전류 흐름을 측정할 때 계측기 전체에서 전압 강하가 발생하지 않음을 의미한다. 이에 더해 N6785A는 ‘Seamless Ration’이라는 기능을 통해 즉각적인 자동 범위 변경을 지원하고, 범위를 변경하는 동안 초당 100,000회의 샘플링 속도를 통해 데이터 손실 없이 ㎂에서 A에 이르는 전류를 측정한다.

한편, 사용자는 키사이트의 14585A 제어 및 분석 소프트웨어를 활용할 시 배터리 소모 테스트를 빠르게 설정할 수 있으며, 소프트웨어 코딩 없이도 소모 측정을 캡처하고 그릴 수 있다.

자료 제공 : 키사이트테크놀로지스코리아