包括配备有电池的电路的便携式仪表和电源管理方法

包括配备有电池的电路的便携式仪表和电源管理方法
【专利摘要】本发明描述了一种包括配备有电池的电路的便携式仪表和血糖仪的电源管理的方法。该便携式仪表中的电池向确定液体样本的分析物浓度传感元件供电，所述仪表包括：由所述电路供电的处理器，其使所述仪表在工作模式和休眠模式运转；由所述电路供电的电量计，其在所述仪表运转的工作模式的期间跟踪从电池接收到的电池电量数据的状态；接口，用于将电池电量数据的状态从电量计传送到处理器；以及开关，用于控制电流流向电量计，所述开关被处理器断开或接通，如果仪表进入休眠模式，则处理器发出信号指示开关到断开位置，使电量计从电路断开，如果仪表进入工作模式，则处理器发出信号指示开关到接通位置。
【专利说明】包括配备有电池的电路的便携式仪表和电源管理方法
[0001] 本申请是申请日为2008年5月29日、发明名称为"用电池供电的液体分析仪的快 速充电和电源管理"的申请号为200880120042. 1专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉参考
[0003] 本申请要求2007年12月10日提交的美国专利申请61/012, 690的优先权，在此 将其全部内容通过引用并入本文。

【技术领域】
[0004] 本发明一般涉及用可充电电池供电的测试传感器，更具体地，涉及包括配备有电 池的电路的便携式仪表和电源管理。

【背景技术】
[0005] 体液中分析物的含量检测在诊断和某些身体状况的保养方面有着重要意义。例 如，对于某些个体，应当监测其体内的乳酸盐、胆固醇及胆红素。特别地，对于糖尿病人来 说，测定体液中的葡萄糖是重要的，因为他们必须经常检测体液中的葡萄糖水平以便控制 饮食中的葡萄糖摄取量。这些检测结果可以用于确定，如果需要的话，服用哪些胰岛素或其 它药物。在一种测试系统中，测试传感器被用来测试液体比如血液样本。
[0006] 很多人每天多次测试他们的血糖。因此，这些人经常必须随身携带仪表来确定他 们血液中的葡萄糖浓度。他们也可能随身携带其它分析测试仪器包括测试传感器、刺血针、 一次性刺血针、注射器、胰岛素、口服药、纸巾等等，从而能够在不同的场所进行血糖测试， 包括他们的家、工作的地方（例如，办公大楼或工地）、娱乐场所等等。但是，携带仪表和/ 或其它分析测试仪到上述多个场所可能会不方便。
[0007] 可以用各种类型的供电配置给血糖仪供电，比如电池或可插入标准插座的电源适 配器。采用电池可使设备随身携带和移动，而无需电源插座。可用于血糖仪的电池包括一 次性电池和可充电电池两种。采用可充电电池用于血糖仪，需要对电池进行充电以使血糖 仪工作。有时当电池没电时，可能会出现要求紧急测量血糖的危急情况。
[0008] 血糖浓度的测量通常是基于血糖和反应物之间的化学反应。化学反应和血糖仪测 定的血糖读数结果是对温度敏感的，因此，通常在血糖仪内放置温度传感器。这些仪表对血 糖浓度的计算，通常假定反应物的温度等于从放在仪表内的传感器读到的温度。然而，如果 反应物和仪表的实际温度不同，计算的血糖浓度将会不准确。血糖仪内的温升或出现热源 通常将会造成对血糖的错误测量。
[0009] 用电池供电的血糖仪中的电源管理可包括用电池电量计来监测电池电量的状态。 电池电量计通常连续地监测双向流过血糖仪的电池的电流。然而，如此连续地监测也需要 电池电量计一直工作，这导致功耗增加，即使当用电池供电的血糖仪处于休眠模式。功耗增 加需要更大尺寸的电池，而且增加了电池成本，尤其对便携式设备来说更是如此。
[0010] 因此期望能有一种用电池供电的仪表，其可以快速充电而不会有明显的温升。同 时期望对用电池供电的仪表进行功耗管理，从而在不工作期间使功耗降到最低，并且保持 对电池电量状态的精确评估。


【发明内容】

[0011] 根据一个实施例，一种包括配备有电池的电路的便携式仪表，所述电路向用于确 定液体样本的分析物浓度的传感元件供电，所述仪表包括：由所述电路供电的处理器，所述 处理器使所述仪表在工作模式和休眠模式运转；由所述电路供电的电量计，所述电量计在 所述仪表运转的所述工作模式的期间跟踪从所述电池接收到的电池电量数据的状态；接 口，所述接口用于将电池电量数据的状态从所述电量计传送到所述处理器；以及开关，所述 开关用于控制电流流向所述电量计，所述开关被所述处理器断开或接通，如果所述仪表进 入所述休眠模式，则所述处理器发出信号指示所述开关到断开位置，使所述电量计从所述 电路断开，如果所述仪表进入所述工作模式，则所述处理器发出信号指示所述开关到接通 位置。
[0012] 根据另一个实施例，一种在工作模式和待机模式运转的用电池供电的血糖仪的电 源管理的方法，所述血糖仪包括微控制器和由功率分配电路供电的电池电量计，所述方法 包括以下步骤：通过所述微控制器接收第一请求，进入待机模式；使所述仪表进入所述待 机模式，其中对所述电池电量计的供电在所述待机模式被切断，从而使所述电池电量计从 所述功率分配电路断开；以及通过所述微控制器接收第二请求，退出所述待机模式并进入 所述工作模式，其中对所述电池电量计的供电在所述工作模式被接通。
[0013] 下面结合附图对各实施例进行详细说明，对于本领域普通技术人员而言，本发明 的其它优点是显而易见的。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 图la表示根据一个实施例的具有盖子的传感器。
[0015] 图lb表示图la中的传感器没有盖子的情形。
[0016] 图2a表示根据一个实施例带有显示器的仪表的主视图。
[0017] 图2b表示图2a中仪表的侧视图。
[0018] 图3表不根据一个实施例的可充电电池的充电电路。
[0019] 图4表示具有高的温升阶段的充电算法，用于向电池充电。
[0020] 图5表示根据一个实施例的电流调节阶段，具有高和低的温升阶段。
[0021] 图6表示根据一个实施例对可充电电池进行快速充电并使温升降低到最小的方 法的有限状态机。
[0022] 图7表示根据一个实施例的电池充电特性图。
[0023] 图8表示根据一个实施例的带有电池电量计和电池充电器的仪表的电路。
[0024] 图9表示根据一个实施例用电池供电的设备的电源管理方法的有限状态机。
[0025] 可以对本发明进行各种修改和替代，附图举例示出了【具体实施方式】，并在此作了 详细说明。但是应当理解，本发明并不仅限于所公开的具体形式。更确切地说，本发明涵盖 了属于本发明精神和范围内的所有修改、等同方式、和可选的替代方案。

【具体实施方式】
[0026] 在此公开了一种用于仪表电池快速充电的系统和方法。当用电池供电的仪表的可 充电电池没电时，如果用户需要紧急测试，例如使用血糖仪时，就出现了危急情况。对于用 可充电电池供电的仪表，这种危急情况可减到最少。采用快速充电技术可以在很短的期间 内对放电电池进行充电，以提供足够的电能使仪表完成一个或多个测试（比如，分析血糖 浓度），同时使仪表的温升降低到最小。
[0027] 图la-b和图2a_b表示根据本发明仪表的实施例，比如血糖仪。这些设备可包括 用于确定液体中至少一种分析物浓度的电化学测试传感器。可用该设备确定的分析物包括 葡萄糖、脂肪（例如，胆固醇，甘油三酯，LDL和HDL)、尿液微蛋白（microalbumin)、血红蛋 白AfQiemoglobin Af)、糖、乳酸盐或胆红素。然而，本发明并不限制设备确定这些特定的 分析物，也可以确定其它分析物的浓度。分析物可以存在于，例如，全血样本，血清样本，血 浆样本，或其它体液比如组织液（ISF)和尿液中。
[0028] 虽然图1和图2所示的仪表大体为长方形，但是应注意，在此使用的仪表的横截面 可以是其它形状，比如圆形，正方形，六边形，八边形，其它多边形，或椭圆形。仪表通常用聚 合材料制成。可用于制作仪表的聚合材料的例子包括但不限于聚碳酸酯，ABS，尼龙，聚丙 烯，或它们的组合物。可以想见，仪表也可采用非聚合材料制成。
[0029] 根据某些实施例，设备的测试传感器通常配备有毛细管，该毛细管从传感器的前 端或测试末端延伸到设置在传感器中的生物感应物或反应物。当传感器的测试末端放入液 体（例如，人的手指被刺破后聚积在手指上的血液），一部分液体由于毛细作用被吸入毛细 管。然后，液体与传感器中的反应物发生化学反应，从而提供指示被测液体中分析物（例 如，葡萄糖）浓度的电信号，随后该电信号被送进电器装置。
[0030] 可用于确定葡萄糖浓度的反应物包括葡萄糖氧化酶。可以想见，其它反应物也可 被用于确定葡萄糖浓度，比如葡萄糖脱氢酶（dehydrogenase)。如果测试的分析物不是葡萄 糖，很可能将采用其他反应物。
[0031] 图la和图lb中显不了测试传感器的一个例子。图la和图lb表不了一种测试传 感器70,它包括毛细管72,盖子74,和多个电极76、78和80。图lb显示了没有盖子的情形。 多个电极包括反电极76,检测电极78,和工作（测量）电极80。如图lb中所示，测试传感 器70包括含有反应物的液体接收区域82。可以想见，也可使用其它电化学测试传感器。
[0032] 参见图2a_b，其显不根据本发明一个实施例的仪表100的例子。所述仪表100具 有通常可适于放在用户的钱包或口袋里的最佳尺寸。因此，尽管并非必要，该仪表100的长 度最好比大概2-3英寸短些，以提高便携性。并且最好，该仪表100具有少于大约6-9平方 英寸（in 2)的底面积。所述仪表100甚至可具有大约3平方英寸（in2)以内的底面积。
[0033] 如图2a和2b所示，仪表100包括可通过前端部120观看的显示器102,测试传感 器分配部104,和用户界面机构106。用户界面机构106可以是按钮、滚轮等等。图2a表示 带有若干显示段的仪表100。用户在测试传感器上放置液体（例如，血液）之后，仪表100 确定分析物（例如，葡萄糖）的水平，并在显示器102上显示读数。
[0034] 仪表100通常包括微处理器或诸如此类的装置用来处理和/或存储测试过程中产 生的数据。例如，可按下用户界面机构l〇6a_b，以启动仪表100的电子设备，回放和浏览先 前测试程序的结果，输入膳食和/或运动指标等等。仪表100也可采用同一或不同的微处 理器进行电源管理，包括执行程序来控制用电池供电设备的仪表100的充电功能。
[0035] 测试传感器分配部104适于容纳和/或安装测试传感器，并协助确定液体样本的 分析物浓度。为了至少将分析物浓度通知用户，仪表100含有显示器102。可用于仪表100 中的显示器102的一个例子是液晶显示器。液晶显示器通常显示来自测试程序的信息，和 /或响应于用户界面机构106a_b的输入信号。其它类型的显示器可包括，例如发光二极管 (LED)、有机发光二极管（0LED)、带背光的液晶显示器（LCD)、薄膜晶体管（TFT)、分段显示 器或其它类型的透射显示器。不同类型的显示器对仪表消耗的电量具有很小或很大的影 响。
[0036] 仪表100可用主电源、电池或任何其它合适的电源供电。主电源可含有在内部工 作的AC和/或DC电源。考虑到仪表100的便携性，仪表100最好用电池供电。电池壳体 130可位于仪表100的背部122或前端部120之内。
[0037] 在某些实施例中，仪表100的电池通过主电源充电，主电源可通过电源适配器插 孔124连接到仪表100。各种不同类型的可充电电池可用于给仪表100供电，包括，例如，锂 离子（Li-Ion)，锂聚合物（Li-Po)，镍镉（NiCd)或镍金属氢（NiMH)。
[0038] 对于某些仪表100的配置，可充电电池（未示出）从仪表100的电池壳体130取 出并放入独立的充电器中，例如，将充电器插入标准AC墙上插座或连接至汽车电池。其它 仪表可通过将专用适配器的一端插入仪表100的电源适配器插孔124进行充电，同时电池 仍在电池壳体130内。然后，将该专用适配器的另一端插头插入AC电源插座，从而给电池 充电。在某些实施例中，仪表100可通过将专用适配器的一端连接到电脑上的电源比如USB 接口，而专用适配器的另一端连接到电源适配器插孔124进行充电。
[0039] 通过采用高于通常向电池充电的充电电流，电池充电器能够对可充电电池进行快 速充电，同时该电池性能下降得极慢。这种对电池快速充电的原理也适用于电池充电器集 成电路。例如，可充电电池如Li-Ion，LiPo，NiCd和NiMH，允许高达大约2C到5C的快速充 电速率，而电池寿命不会明显缩短。术语C定义为正在充电的给定电池的额定容量（rated capacity)。例如，具有200mAh容量的电池有200mA的1C速率、400mA的2C速率、1000mA 的5C速率。在某些实施例中，以高充电速率用非常短的充电时间向电池充电，可提供足够 的能量给仪表电池以进行多个液体分析物浓度测试。
[0040] 在某些实施例中，设备可发出早期警报，例如表示电池的剩余电量可以完成大约 10个液体分析物浓度测试。设备可进一步发出最后警报，表示例如基于剩余的电量可以完 成2个或更少的测试。在这些情况下，特别在最后警报后，以高充电速率用很短的充电时间 对电池充电是有利的。
[0041] 对于类似于在此描述的实施例的仪表，举例说明用于单个分析物浓度测试的电 量。假设测试持续了 2分钟，仪表100的显示器102在此期间连续工作，具有透射显示器 (例如，0LED，带背光的IXD，TFT)的仪表100可从3. 6伏特（V)的可充电电池消耗大约达 40毫安（mA)。下列数学方程式显示了仪表的能耗与测试持续时间、电池电压及电流的关 系：
[0042] Efeom battery - I X Vbat X t0PEEATI0N
[0043] 其中：Efr〇mbattery 为目匕耗
[0044] VBAT为电池的电压
[0045] I为仪表消耗的电流
[0046] 为分析物浓度测试的时间
[0047] 代入上述例子中的数值：
[0048] Efeombatteey = 40X10_3AX3. 6VX2minX60sec ^ 17J
[0049] 对于类似于在此描述的实施例的仪表，再举个例子说明向可充电电池快速充电的 方案。该仪表可采用专用适配器接入电源，所述专用适配器可连接到USB接口或另一个电 源。在本例中，内部的电池充电电路提供2C的充电速率。电池充电后，例如，在某一时间段 &_ ΙΝ(；(例如30秒，1分钟），从电池充电器获得的能量大致有下列关系：
[0050] Echaeged = ICHAEGING X VBAT X tCHAEGING
[0051] 其中为从电池充电器获得的能量
[0052] VBAT为电池的电压
[0053] 为充电电流（例如，对于200mAh的电池，以2C的充电速率，= 400mA)
[0054] 为充电持续时间（例如，在我们的例子中是1分钟）代入上述例子的数值：
[0055] Echaeged = 0. 4AX3. 6VX60sec = 86. 4J
[0056] 本例表明，根据上述单个测试的能耗例子--1个测试能耗等于17焦耳 (Joules)，则以2C电流率对电池充电大约60秒后，可向可充电电池提供足够的能量，进行 大约5个测试（86. 4J/17J?5)。
[0057] 对仪表电池采用快速充电会引起仪表升温，从而改变仪表输出的分析物浓度读数 结果。因此，对于温度敏感的仪表，例如具有可充电电池的仪表，最好采用快速充电，进一步 地，最好将该设备的温升降低到最小。
[0058] 在此描述的实施例允许对进行温度敏感测试的仪表（例如，便携式仪表）的电池 快速充电，用电源在短时间内向电池快速充电。在某些实施例中，在快速充电完毕后，以正 常充电速率继续充电。这些实施例较理想地将仪表的温升降低到最小。
[0059] 在某些实施例中，仪表的内部充电电路可具有快速充电模式和正常充电模式。内 部充电电路通过将快速充电速率变为具有可忽略不计的温升的正常充电速率来降低充电 速率，可进一步限制仪表的温升。如果用户在快速充电之后不把专用适配器的插头从电源 拔掉，这种实施方式会特别有利。
[0060] 在某些实施例中，一旦仪表电池连接到外部电源，比如USB接口或电源适配器，内 部充电电路或电池充电器可以首先进入快速充电模式，然后根据具体的便携式温度敏感仪 表的温升条件，切换到正常或降低的充电模式。例如，快速充电模式可具有大约5C的充电 速率。在其它实施例中充电速率可能超过5C。充电速率将会随着这些条件如电池的配置或 电源（例如，USB接口或电源适配器）的输出电流而改变。在锂离子电池的例子中，最大充 电速率大约是2C。在USB接口的例子中，电流容量可能是100mA或500mA。
[0061] 在某些实施例中，当完成了对可充电电池的快速充电，内部电路可提供可感知的 信号给用户，比如声音信号或光信号。该信号将让用户知道，电池有充足的能量给所需测试 供电。此时，用户可选择拔掉仪表电源插头，执行分析物浓度测试。如果用户不拔掉仪表电 源插头，仪表的充电电路可切换到提供例如大约〇. 5C到1C范围内的充电速率的正常充电 模式。正常充电模式与更高充电速率的快速模式相比，电池产生的热量更低。在某些实施 例中，正常充电模式可设置到如下充电电流水平，其可以均衡因充电造成的散热和从温度 敏感仪表到周围大气（例如，空气）的热辐射。在某些实施例中，最好在正常充电模式下维 持快速充电模式期间达到的温度。
[0062] 现在参见图3,其显示了根据某些实施例的可充电电池310的充电电路300的原理 图。充电电路300与仪表电池充电期间经历的类似，在电池310充电期间经历了电池升温。 电池310有引起电池散热的内部等效串联电阻（ESR) 312。此外，电池310中的温升将会正 比于充电时间和二阶充电电流。ESR根据电池的类型而改变。例如，50%放电的锂聚合物电 池有大约低于0. 07欧姆的典型等效串联电阻。充电电路300还包括连接到电池310的充 电器330,比如外部电源。
[0063] 另一个例子表明了在快速充电模式电池产生热量的近似值的计算过程。假定一个

【权利要求】
1. 一种包括配备有电池的电路的便携式仪表，所述电路向用于确定液体样本的分析物 浓度的传感元件供电，所述仪表包括： 由所述电路供电的处理器，所述处理器使所述仪表在工作模式和休眠模式运转； 由所述电路供电的电量计，所述电量计在所述仪表运转的所述工作模式的期间跟踪从 所述电池接收到的电池电量数据的状态； 接口，所述接口用于将电池电量数据的状态从所述电量计传送到所述处理器；以及 开关，所述开关用于控制电流流向所述电量计，所述开关被所述处理器断开或接通，如 果所述仪表进入所述休眠模式，则所述处理器发出信号指示所述开关到断开位置，使所述 电量计从所述电路断开，如果所述仪表进入所述工作模式，则所述处理器发出信号指示所 述开关到接通位置。
2. 根据权利要求1所述的便携式仪表，其中所述处理器在所述仪表进入所述工作模式 后确定电池电量的状态。
3. 根据权利要求1所述的便携式仪表，其中所述电量计在所述仪表运转的所述工作模 式的期间持续跟踪电池电量的状态。
4. 根据权利要求1所述的便携式仪表，其中所述电量计是集成电路。
5. 根据权利要求1所述的便携式仪表，还包括与所述处理器相连的显示器，所述显示 器用于显示电池电量的当前状态。
6. 根据权利要求1所述的便携式仪表，其中所述处理器是微控制器。
7. 根据权利要求1所述的便携式仪表，其中所述电池是可充电电池。
8. 根据权利要求7所述的便携式仪表，其中当主电源在对所述电池充电时，所述便携 式仪表进入所述工作模式。
9. 一种在工作模式和待机模式运转的用电池供电的血糖仪的电源管理的方法，所述血 糖仪包括微控制器和由功率分配电路供电的电池电量计，所述方法包括以下步骤： 通过所述微控制器接收第一请求，进入待机模式； 使所述仪表进入所述待机模式，其中对所述电池电量计的供电在所述待机模式被切 断，从而使所述电池电量计从所述功率分配电路断开；以及 通过所述微控制器接收第二请求，退出所述待机模式并进入所述工作模式，其中对所 述电池电量计的供电在所述工作模式被接通。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括在所述仪表进入所述工作模式后确定电池电 量的状态。
11. 根据权利要求10所述的方法，还包括如果所述仪表在所述工作模式，利用所述微 控制器从所述电池电量计接收到的电池电量数据来更新电池电量的状态。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述更新是连续的。
【文档编号】A61B5/145GK104055523SQ201410247701
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2008年5月29日 优先权日:2007年12月10日
【发明者】陈钧, 伊戈尔·戈夫曼 申请人:拜尔健康护理有限责任公司