如何加速電動口罩的設(shè)計

與一次性或N95口罩相比，佩戴電動口罩（也稱為E口罩或數(shù)字口罩）可提高舒適度。電動口罩類似新風(fēng)系統(tǒng)：內(nèi)部有一個風(fēng)扇吸入外界空氣，而外界空氣會經(jīng)過過濾芯過濾后進(jìn)入內(nèi)部，用來解決長時間佩戴口罩的憋悶問題。同時，循環(huán)換氣功能也能讓即使戴眼鏡也佩口罩時鏡片起霧問題得到改善。

表1不同形式的口罩

表1：一次性口罩、N95口罩和電動口罩對比

TI針對電動口罩市場，提供了一整套完整的解決方案。常見電動口罩的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：電動口罩系統(tǒng)框圖

鋰離子電池充電解決方案

電動口罩通常采用充電的單串小型鋰離子（Li-ion）電池供電，通過USB接口對電池進(jìn)行充電。針對此類系統(tǒng)配置，TI提供了高精度專用充電管理芯片BQ24040，典型應(yīng)用框圖如圖2所示。

圖2：BQ24040的典型應(yīng)用框圖

BQ24040是一款高度集成的、專為小空間可攜帶產(chǎn)品而設(shè)計的高精度大電流充電管理芯片。高達(dá)30V的輸入電壓范圍使得電池不但可通過USB進(jìn)行充電，還可以通過各種低成本的適配器對其安全充電而不會損壞。優(yōu)異的性能使其廣泛應(yīng)用在智能手表、手環(huán)、藍(lán)牙耳機(jī)、電動口罩等產(chǎn)品中。

BQ24040提供：

最大1A充電電流可滿足用戶快速進(jìn)行充電。

低至10 mA的精確充電電流控制。

全溫度范圍內(nèi)高達(dá)1％的充電電壓精度可顯著延長電池壽命。

集成電池溫度監(jiān)測功能。

全面安全防護(hù)性能。

封裝小至2 mm*2 mm。

如果需要I2C-可編程鋰離子充電器，考慮使用如圖3所示的BQ21061。

圖3：BQ21061框圖

BQ21061是一款高度可編程的電池管理設(shè)備。其集成了用于單節(jié)鋰離子電池的500 mA線性充電器——一種可配置為負(fù)載開關(guān)和按鈕的通用低壓降穩(wěn)壓器（LDO）控制器。通過I2C接口，主機(jī)可更改諸如電池調(diào)節(jié)電壓和充電電流等充電參數(shù)，并獲取詳細(xì)的器件狀態(tài)和故障信息。通過按鈕控制器，無需主機(jī)干預(yù)即可重置系統(tǒng)，如電池調(diào)節(jié)電壓和充電電流，并將器件從出廠模式激活。BQ21061的10-nA運(yùn)送模式可延長電池壽命并支持立即使用電池。

電池保護(hù)方案

鋰離子電池的不當(dāng)使用會產(chǎn)生爆炸等安全風(fēng)險，鋰離子電池的保護(hù)對產(chǎn)品的安全性能有著至關(guān)重要的作用。針對單串低電壓鋰離子電池，TI推出了BQ2970低成本專用保護(hù)芯片。其提供提供針對鋰離子/鋰聚合物電池的保護(hù)功能，并且監(jiān)控外部功率MOSFET，以便在高充放電電流時提供保護(hù)，包括過充保護(hù)、過放保護(hù)、充放電過流保護(hù)、短路檢測。在正常模式運(yùn)行中消耗的電流只有4μA，減少了電池的電量消耗。尺寸只有1.5mm*1.5mm*0.75mm，有利于減小電池包的體積。BQ2970的典型應(yīng)用框圖如圖4所示。

圖4：BQ2970參考原理圖

BLDC風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動

電動口罩的良好透氣性源于其內(nèi)部的循環(huán)風(fēng)扇。一款高效靜音的直流無刷風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動將直接影響產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)。如圖5所示的DRV10964是一款內(nèi)部集成功率MOSFET的三相無傳感器電機(jī)驅(qū)動器。它是專為高效率、低噪音和外圍器件少的電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用而設(shè)計的。專有無傳感器180度正弦控制方案提供超靜音的電機(jī)驅(qū)動性能。

為確保安全運(yùn)行，包含智能鎖檢測功能，結(jié)合其他內(nèi)部保護(hù)電路。DRV10964采用采用熱效率高的10針USON封裝，帶有外露的熱墊。

圖5：DRV10964參考原理圖

DRV10964提供：

無霍爾傳感器的180度三相正弦波驅(qū)動，最大支持500mA持續(xù)工作電流。

全面的保護(hù)功能：堵轉(zhuǎn)、過流、過壓、欠壓、過熱等。

超低靜態(tài)電流，低至15 μA。

封裝小至3 mm *3 mm。

MCU主控方案

MSP430FR211x系列是TI針對超低功耗、低成本的 MSP430?微控制器（MCU）推出的具有強(qiáng)大功能的 16 位 RISC CPU，提供2KB~3.75KB的 FRAM 和1KB的SRAM。FRAM技術(shù)將低能耗的快速寫入、RAM的靈活性和耐用性與Flash的非易失性性能結(jié)合，使系統(tǒng)工程師能夠在降低功耗的同時提高性能。

這些器件集成了集成了6位DAC和8通道10位ADC、一個16位定時器、一個16位RTC計數(shù)器、一個支持UART/IrDA/SPI的增強(qiáng)型串行通信接口，具有12個GPIO口。封裝選項(xiàng)包括TSSOP16和QFN24(3*3mm)，使之極適合應(yīng)用于便攜式設(shè)備。

電源軌方案

系統(tǒng)可能需要用于MCU或電機(jī)的不同電源軌給MCU供電，LDO可將電池電源轉(zhuǎn)換為3.3 V。TPS7A03和TPS7A02為其提供了高性能，靜態(tài)電流分別低至200 nA和25 nA。

如果電機(jī)需要5 V或更高的電壓才能運(yùn)行，則可能需要升壓轉(zhuǎn)換器為電機(jī)供電。TPS61023是一款具有0.5V超低輸入電壓的同步升壓轉(zhuǎn)換器。本器件為便攜式設(shè)備和由各類電池和超級電容器供電的智能設(shè)備提供了電源解決方案。單節(jié)鋰離子電池可支持7.5W（5V/1.5A），效率為92％。而TPS61023的關(guān)斷電流約為100nA，這對于不經(jīng)常打開的應(yīng)用很有用，并可能會延長電池運(yùn)行時間。TPS61023的輸入電壓范圍為0.5 V至5.5 V，支持超級電容后備電源應(yīng)用，而且可能會對超級電容進(jìn)行深度放電。圖7顯示了一個典型應(yīng)用。

圖7：TPS61023的典型應(yīng)用框圖

TI的綜合產(chǎn)品為工程師提供了設(shè)計電動口罩產(chǎn)品所需的資源。我們的參考設(shè)計和支持資源可大大縮短開發(fā)時間并加快電動口罩的上市時間。
審核編輯：金巧