呼吸機系統(tǒng)鼓風和閥門控制設計方案

本方案面向呼吸機、麻醉給藥系統(tǒng)、CPAP 呼吸機、制氧機等應用，能夠支持電機加減速高達±200kRPM/s，這是許多呼吸機應用中的關鍵要求）。方案支持包括TMS320F28027F在內(nèi)的許多板外 C2000控制器，從而實現(xiàn)低成本、無傳感器的磁場定向控制(FOC)。此外,該設計支持寬輸入電壓范圍6V至28V），能夠同時調(diào)節(jié)線路功率和電池功率。

?

此方案結構緊湊，主要特點包括：
?高達±200kRPM/s 的快速加速和減速。
?250毫秒內(nèi)從10kRPM增至40kRPM (C65MS1-L5)。
?200毫秒內(nèi)從40kRPM 降至10kRPM (C65MS1-L5)。
?寬輸入電壓范圍6V至28V）支持直流或電池的穩(wěn)壓輸入，具有電源保護，防止浪涌、過流和反極性。
?具有板外FOC控制的DRV8323R電機驅動器可安靜且高效地產(chǎn)生壓縮空氣。
?集成驅動器保護特性包括UVLO、過流和過熱保護。
?用于控制六個電磁閥的雙路DRV8847 H橋步進驅動器。

方案說明

在一些情況下，用機器輔助患者呼吸是一種必要的醫(yī)療手段，因具體應用而異，這些機器可能需要電機和閥門。例如，呼吸機使用電機產(chǎn)生壓縮空氣，并使用閥門系統(tǒng)輸送壓縮空氣或將肺部 空氣釋放回大氣中，以便通過機械方式輔助呼吸。呼吸機還可與麻醉給藥系統(tǒng)配合使用，使患者保持在安全的麻醉狀態(tài)中。麻醉給藥系統(tǒng)包含許多瓣膜，用于混合藥物和保護患者。呼吸機通 常用于醫(yī)院、機構、運輸和家庭環(huán)境中。

?

呼吸機系統(tǒng)有三種基本的驅動機構：風箱、活塞和渦輪。對于風箱系統(tǒng)，通常情況下，伺服閥控制氣動力，氣動力使風箱中的空氣壓縮。對于活塞系統(tǒng)，通常情況下，由BLDC或直流伺服電機 移動活塞來壓縮空氣。對于渦輪系統(tǒng)，通常情況下，使用BLDC電機驅動渦輪（風機）。

此參考設計的不同方面需要考慮到不同的呼吸應用。CPAP呼吸機主要需要此設計中的BLDC電機驅動器部分，而麻醉給藥系統(tǒng)需要閥驅動器部分。氧氣濃縮器和呼吸機將二者結合使用。

?

?

（1）無刷直流電機 (BLDC)

可以使用幾種電機類型為上述應用產(chǎn)生壓縮空氣，包括有刷直流(BDC)、BLDC甚至是交流電機。在上述三種類型中，交流電機最易于控制。然而，交流電機使用額外能源來產(chǎn)生電磁體，這降低 了其效率，而且它們的物理尺寸往往比BDC和BLDC電機都大。交流電機也不能快速改變速度。

與BLDC電機相比，BDC電機往往成本更低，控制方案也更簡單。然而， BLDC具有的若干優(yōu)勢特別適用于呼吸醫(yī)療應用。這些電機的最大優(yōu)勢是它們是無刷、非接觸式的，這就意味著它們本身 比BDC電機更加安靜，壽命也更長。由于電刷會隨著時間的推移而退化，有刷直流電機則會更快地磨損。此外，雖然BLDC電機的控制要復雜得多，但BLDC電機在給定電機功率下是最高效的電機 類型，并且尺寸最小。與其他電機類型相比，無刷直流電機還能實現(xiàn)最高速度和最佳動態(tài)速度性能（加速和減速）。

為了實現(xiàn)最安靜和最高效的運行，通常使用磁場定向控制 (FOC) 作為控制算法。FOC是一種將所有扭矩施加在垂直于轉子的電機上的技術；這樣可實現(xiàn)最大的驅動效率。此外，許多系統(tǒng)實施 無傳感器控制方案，這意味著電機本身沒有嵌入式霍爾效應傳感器。無傳感器驅動方案允許使用更多類型的電機，然而，如果所用電機內(nèi)置有傳感器，也可實施有傳感器驅動系統(tǒng)。方案采用 了一項稱為InstaSpin-FOC的技術，該技術在選定的Piccolo系列MCU上運行，與從頭設計控制方案相比，可以更快地構建無傳感器FOC。

基于DRV8323RS的若干功能，本設計選用它作為電機柵極驅動器。例如，DRV8323RS具有三個集成半橋驅動器，能夠為MOSFET柵極提供2A 電流和吸收1A電流。DRV8323RS還集成了用于實現(xiàn)100% 占空比的高側MOSFET的電荷泵，能夠支持高達600mA供外部使用的異步降壓轉換器以及三個用于檢測電機電流的低側電流檢測放大器。選擇此器件的另一重要原因是它能夠處理此參考設計所需 的整個電壓范圍，即6-28V。

為了實現(xiàn)所需FOC算法，已選用最新的Piccolo MCU TMS320F28027F來運行TI的InstaSpin-FOC控制軟件。該參考設計包含連接至Piccolo的Launchpad的連接器。這樣，F(xiàn)OC通過即插即用外圍設 備集成到設計中，允許用戶輕松測試此控制算法。

（2）電磁閥驅動器

電磁閥是許多呼吸應用（例如氧氣濃縮器）的關鍵組件，用于實現(xiàn)多種功能。氧氣濃縮器使用壓縮機將空氣和氧氣分離到單獨的罐中。然后啟動電磁閥，將特定量的每種氣體釋放到腔室中， 再使用單獨的閥片通過面罩將混合氣體輸送給患者。如果檢測到故障，電磁閥還可以停止氣流流向面罩。這些閥片在麻醉給藥系統(tǒng)中同樣有用，在該系統(tǒng)中，多種氣體在輸送給患者之前通常 都需混合在一起。氧氣濃縮器往往有4-6個這種閥片，而麻醉給藥系統(tǒng)往往有15個以上。

電磁閥有不同的配置來控制流液體或氣流的流動。最簡單的配置是將兩個管道連接形成2通閥；但也有3通接頭和4通接頭，這些接頭可以是簡易的開/關閥片、二進制閥、自鎖閥或抖動閥。每 種不同的閥類型都需要不同的控制方法，但此參考設計只關注控制最簡單的開/關閥。開/關閥天然地具有一個未通電位置，通過施加電流使電磁閥通電從而操作開/關閥以改變閥的位置。在自 然關閉的2通閥中，閥片會關閉，防止流體或氣體流動，直到電磁閥通電，才會打開閥片使流體或氣體流動。另一個示例是，在 3 通連接閥中，自然位置將三個管道中的兩個連接在一起，并 在閥片通電后會連接兩個不同的管道。

可以直接控制開/關閥，其中需要將電流施加給電磁閥使閥片。有些開/關閥是單向的，只能接受單一方向的電流進行通電，還有一些閥是雙向的。所需的電流量取決于具體的閥片，但電磁閥 的電流波形是一致的。最初，需要一個峰值電流來為閥片通電，同時需要較低的電流量來維持通電狀態(tài)。無論方向如何，這些閥片均可由低側或高側 MOSFET 和閥驅動器稍作控制，這些驅動 器可以接收 MCU 的輸入，使閥片通電。雖然簡單，但此控制方案可能較為低效，因為它會將電流保持在峰值，而不是降低電流以保持通電狀態(tài)。通過添加電流反饋路徑，可以實現(xiàn)峰值-保持 控制，使電流降低，且保持通電狀態(tài)，以提升系統(tǒng)效率。一些閥驅動器集成了峰值-保持控制，而另外一些則需要 MCU 來讀取電流并實現(xiàn)控制。

對于此參考設計，選用了DRV8847（是一款18V、2A雙路H橋電機驅動器）來驅動電磁閥。器件中的每個半橋可單獨控制，也就是說 DRV8847 能夠驅動多達四個單向閥或兩個雙向閥。本設計采 用兩個DRV8847 IC，一個用于單向控制，一個用于雙向控制。DRV8847能夠通過每個半橋驅動 1A的電流，集成MOSFET 具有1? 的 RDS(on)。該器件還集成了一個電流感應放大器，來進行過流 保護；然而，驅動器未融合峰值-保持控制選項，因此必須由MCU來實現(xiàn)。DRV8847的每個半橋由本地MCU 的PWM驅動，所選 MCU為MSP430FR2155。之所以選擇此MCU， 是因為它具有所有必要的 外設，外形很小且性價比高。

泵也是呼吸系統(tǒng)必不可少的部分，有助于將空氣和藥物泵入肺中。這些泵常常需要精準、細微的電機控制，可以電動操作。高微步進青睞于步進電機和雙路 H 橋驅動器，例如 DRV8825 和 DRV8886AT。根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，電磁閥/閥和泵可連接到電流要求不同 12V、24V、36V 甚至48V的電源軌。

（3）電源樹架構

長久以來，這些呼吸應用一直在使用隔離交流/直流電源模塊為系統(tǒng)提供 12V、19V 或 24V 直流總線電壓。系統(tǒng)要么使用更高的直流總線電壓直接驅動電機和閥門，要么通過降壓轉換器降低 電壓。然而，隨著許多此類系統(tǒng)的市場趨向便攜性，它們將不得不采用電壓范圍估計為6-14V的電池供電。由于這種轉變，本參考設計定義的輸入電壓范圍為 6-28V。此外，便攜性趨勢意味著 關鍵系統(tǒng)要求包括高效率，以便實現(xiàn)更長的電池壽命。通常對于這些系統(tǒng)，需優(yōu)先解決方案尺寸，本參考設計中已考慮到這一點。

DRV8323RS 能夠在整個電壓范圍內(nèi)運行，因此 DRV8323RS 和 BLDC 電機直接連接到輸入電壓源。然而，電磁閥需要在單一直流電壓下工作，因此選用穩(wěn)定的12V電壓輸入后選用LM5122寬輸入 同步升壓控制器作為電源樹的第一級。因為同步控制器支持選擇兩個開關MOSFE，故該器件配置為升壓至14V以涵蓋電池電壓范圍，還可獲得最高效率。此外，該器件還有外部電荷泵的獨特特 性，當輸入電壓高于設定的輸出電壓時，可驅動高側 MOSFET。此模式稱為直通模式，允許功率有效地通過高側 MOSFET而不改變輸入電壓。

值得注意的是，該器件在峰值電流模式控制下運行以實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應。LMR33630是一款 3A 同步降壓轉換器，因其小巧高效而被選用。該器件已配置為從可能的14-28V輸入范圍降至12V，以 涵蓋其余輸入電壓范圍。設計中優(yōu)化了這兩個器件的放置，以展示各自的解決方案尺寸。

芯齊齊BOM分析

作為醫(yī)用設備，方案使用了DRV8323R智能柵極驅動器和DRV8847電機驅動器共24顆芯片，實現(xiàn)了電池持續(xù)使用4-10小時的便捷式高效系統(tǒng)設計。

?

芯齊齊BOM分析工具顯示，DRV8323RS是一款智能柵極三相BLDC電機驅動器，集成了三個半橋柵極驅動器，一個用 于驅動高側N溝道MOSFET的電荷泵和一個用于驅動低側N 溝道MOSFET的線性穩(wěn) 壓器。這些半橋由智能柵極驅動架構控制，該架構能夠為MOSFET柵極提供高達1A的拉電流和高達2A的灌電流，從而實現(xiàn)精確控制。智能柵極技術還允許電機驅動器動態(tài)地調(diào)整柵極驅動輸出的 強度，從而優(yōu)化效率，并減少柵極驅動電路所需的外部無源組件。除了柵極驅動器，DRV8323RS還為三個相位分別集成了三個電流分流放大器，以實現(xiàn)過流保護 (OCP)。DRV8323RS設置可通過 SPI進行編程，而柵極驅動器從MCU獲取PWM輸入。

DRV8847是雙路H橋電機驅動器，能夠根據(jù)所用配置和所選設置驅動單路BDC電機、雙路BDC電機、雙極步進電機和電磁閥。該器件由四個帶有集成N溝道MOSFET的獨立半橋組成，每個MOSFET具有 1000m? 的RDS(ON)。根據(jù)DRV8847的配置，半橋可以作為獨立的 H 橋單獨驅動，也可以根據(jù)通過I2C或外部電阻器（取決于不同的電阻）選擇的設置。在為器件本身供電方面，DRV8847能夠采 用2.7-18V的輸入電壓范圍，并具有的睡眠模式，以實現(xiàn)高效設計。

TPS62840是一款最新的低電壓、低 IQ同步降壓直流/直流轉換器，其對高效率和小解決方案尺寸進行了優(yōu)化。TPS62840系列能夠承受1.8V至6.5V的輸入電壓，并降至0.8V至3.4V的輸出電壓。 根據(jù)所選器件的不同，使用外部電阻器從16個選項中選擇輸出電壓。為確保設計效率，器件中集成了補償網(wǎng)絡。因此，器件專門設計為與外部 2.2μH電感器和外部10μF電容器配合使用，以 實現(xiàn)報告中的±2% 輸出電壓精度規(guī)格。

TPS7A02是一款最新的低電壓、超低IQ低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，其對解決方案大小和效率進行了優(yōu)化。該系列器件能夠提供200mA的拉電流，對于3.3V輸出型號，其規(guī)定最大壓差為204mV。 TPS7A02提供三種可能的封裝選項，包括X2SON、DSBGA和SOT-23，其中，DSBGA最小，尺寸為0.65mm x 0.65mm，適用于對外 形要求最苛刻的應用。

LM5122是一種寬輸入同步升壓(boost)控制器，能夠利用3-65V的輸入電壓范圍，其最大輸出電壓為100V。在本設計中，此器件用于將電池電平電壓升至14V，為DRV8847 IC和電磁閥預升壓。然 而，由于此設計的輸入電壓范圍最高為28V，故此升壓控制器的最大優(yōu)勢在于高效的旁路模式。如果輸入電壓等于或高于所設的輸出電壓，此器件則使用連接到輸入電壓的內(nèi)部電荷泵，以使串 聯(lián)MOSFET的柵極保持為高電平。這樣可實現(xiàn) LM5122的有效旁路，主要損耗來自MOSFET 的 RDS(ON)。

LMR33630是simple switcher 3A同步直流/直流降壓轉換器，其對解決方案大小和效率進行了優(yōu)化。LMR33630還集成了大多數(shù)設置所需的大部分無源器件，從而實現(xiàn)了更小的解決方案尺寸。 然而，除了用于調(diào)節(jié)輸出電壓的外部電感器、輸入電容器、輸出電容器和反饋網(wǎng)絡，其確實需要Vcc電容器和自舉電容器。該器件采用HSOIC裝，尺寸為5mm x 4mm，或VQFN封裝，尺寸為3mm x ?2mm。

TMP1075溫度傳感器是行業(yè)標準數(shù)字溫度傳感器LM75或TMP75的更新替代產(chǎn)品。TMP1075采用SOIC和VSSOP封裝，與TMP75和LM75引腳對引腳兼容，輕松實現(xiàn)兼容性。該溫度傳感器的精度在較大范 圍內(nèi)為±11 oC，全溫度范圍內(nèi)的最大為±2 oC。除了尺寸和精度外，該器件對于具有精度范圍公差的許多應用還是經(jīng)濟實惠的解決方案。

MSP430FR2155是功耗超低且成本低廉的設備中MSP430 MCU 超值系列的一部分，用于檢測和測量應用。該器件集成了 12 通道、12 位 ADC，兩個增強型比較器和一個 32KB 非易失性FRAM。此 ?MSP430能夠在1.8V 至 3.6V的電源電壓下運行，并優(yōu)化了低功耗模式，以降低功耗。處于運行狀態(tài)時、該器件在3V輸入電壓下消耗 142μA/MHz，在待機模式時消耗 約1.43μA，關閉模式時則 消耗 42nA。除了低功耗外，內(nèi)部電壓基準可縮小解決方案尺寸并精準地讀取ADC數(shù)。

LM74700-Q1是一款低IQ、提供反向電池保護的理想二極管控制器，其驅動外部N溝道MOSFET作為理想二極管整流器，以實現(xiàn)低功率損耗，并從輸入到輸出將壓降調(diào)整為20mV。LM74700-Q1最初是 針對汽車應用設計的，其能夠在寬輸入電壓范圍（3.2V至65V）內(nèi)運行，還能夠處理高達-65V的反向電壓。該器件還有一個啟用引腳，可用于從外部啟用和禁用LM74700-Q1，以便在內(nèi)部輸出電 壓和輸入電壓比較器之外進行精準控制。LM74700-Q1采用小型SOT-23封裝，可支持小型設計，但確實需要前面提到的外部 MOSFET。

CSD88584Q5DC是 一款40V半橋NexFET電源塊器件，將兩個N溝道功率MOSFET 集成到單個5mm x 6mm 封裝中，具有用于柵極驅動信號的引腳和用于開關節(jié)點的檢測引腳。為了幫助緩解任何潛在 的熱問題，這些器件在頂部配置有裸露的金屬焊盤，金屬焊盤可連接到散熱器以實現(xiàn)最佳散熱。這些MOSFET還經(jīng)過優(yōu)化，可在5kHz至50kHz 的開關頻率（這是BLDC電機的典型開關頻率）之間 運行。

CSD18543Q3A 是單個 60V N 溝道 NexFET 功率 MOSFET，其對解決方案尺寸和功率密度進行了優(yōu)化。該器件采用 3.3mm x 3.3mm 封裝，RDS(ON) 低于 12m?，有助于限制功率損耗，并緩解潛 在的熱問題。該器件的最大連續(xù)電流為12A，是本設計中預期的輸入電流的兩倍。此器件的其他優(yōu)勢包括：額定脈沖漏極電流為156A，工作溫度范圍寬，高達150 oC。

CSD18532Q5B是單個60V N溝道NexFET功率 MOSFET，其對低功率損耗進行了優(yōu)化，RDS(ON)僅為 2.5m?。選用該器件作為反極性MOSFET，與LM74700-Q1配合使用，因此功率損耗、電流額定值和 熱性能是選擇適當器件時的關鍵指標。此MOSFET的連續(xù)額定電流為23A，高于此設計中預期的峰值電流。該器件也采用 5mm x 6mm 封裝，對散熱性能進行了優(yōu)化。除了這些規(guī)格外，還需要考 慮44nC 的總柵極電荷，因為這有助于確定MOSFET在檢測到反極性時能夠以多快的速度關閉。

TVS3301是雙向平緩鉗位浪涌保護器件，其功能與雙向 TVS二極管相同。該器件既能夠防止 IEC 61000-4-5浪涌電流和電壓波形，還能夠防止IEC61643-321波形。該器件的工作范圍為±33V， 在發(fā)生浪涌時可將電壓鉗位至最大40V，可能夠提供高達 27A的灌電流，這些是由 IEC 61000-4-5定義的。該器件的電容也較低，為54pF，這在信號鏈應用中特別有用。與傳統(tǒng)TVS二極管相比 ，TVS3301導通狀態(tài)電阻明顯低于TVS二極管，封裝尺寸也明顯縮小。

TPD4E1U06是一款四通道、高速、單向ESD保護器件，能夠承受ESD事件和浪涌事件。該器件規(guī)定能夠承受IEC61000-4-2 4級ESD事件，其中包括±15kV接觸放電和 ±15kV氣隙放電。該器件還可承受IEC 61000-4-5中規(guī)定的3A浪涌，以及IEC 61000-4-4中規(guī)定的80A EFT事件。
?