1.1 電動口罩

 

口(kou)罩(zhao)作(zuo)為(wei)保(bao)護(hu)我(wo)們(men)呼(hu)吸(xi)係(xi)統(tong)的(de)過(guo)濾(lv)屏(ping)障(zhang)，可(ke)有(you)效(xiao)預(yu)防(fang)傳(chuan)染(ran)病(bing)。電(dian)動(dong)口(kou)罩(zhao)通(tong)過(guo)內(nei)部(bu)的(de)風(feng)扇(shan)吸(xi)入(ru)外(wai)界(jie)空(kong)氣(qi)，提(ti)升(sheng)用(yong)戶(hu)長(chang)時(shi)間(jian)佩(pei)戴(dai)的(de)舒(shu)適(shi)度(du)
，循(xun)環(huan)換(huan)氣(qi)功(gong)能(neng)也(ye)能(neng)讓(rang)即(ji)戴(dai)眼(yan)鏡(jing)也(ye)佩(pei)口(kou)罩(zhao)時(shi)鏡(jing)片(pian)起(qi)霧(wu)問(wen)題(ti)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)。此(ci)外(wai)，電(dian)動(dong)口(kou)罩(zhao)還(hai)有(you)防(fang)護(hu)性(xing)好(hao)以(yi)及(ji)可(ke)以(yi)循(xun)環(huan)使(shi)用(yong)的(de)優(you)點(dian)。

 

圖 1. 電動口罩的組成：

 

電源軌架構：

 

為了方便佩戴者的使用，電動口罩大都采用鋰電池供電，通過USB口為電池供電
，之後通過LDO為MCU提供電能。為了提升馬達驅動的效率。需要升壓芯片將電壓升高到5V左右為馬達驅動供電。

 

信號鏈架構：

 

當外部按鍵給MCU提供電動口罩的開關信號和風力等級後
， MCU會輸出相應的PWM信號
，按照對應的風力等級通過馬達驅動使三相無刷直流電機平穩的旋轉。

 

在設計電動口罩時，需要考慮電動口罩的重量，體積以及噪音問題。圖2是TI一款三相無刷電機驅動芯片DRV10964
，可以看到當馬達驅動的供電電壓從3.3V提升到5V的時候，馬達驅動MOSFET的Rds (on) 降低了1/3左右, 從而降低馬達驅動的通態損耗，提升係統的工作效率。

 

圖2. RDS (ON) vs Power Supply at 25°C

 

因(yin)此(ci)，一(yi)個(ge)合(he)適(shi)的(de)升(sheng)壓(ya)芯(xin)片(pian)，可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)客(ke)戶(hu)提(ti)升(sheng)整(zheng)體(ti)的(de)效(xiao)率(lv)
，延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)時(shi)長(chang)。穩(wen)定(ding)的(de)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)還(hai)會(hui)降(jiang)低(di)電(dian)動(dong)口(kou)罩(zhao)的(de)噪(zao)音(yin)問(wen)題(ti)，提(ti)升(sheng)使(shi)用(yong)者(zhe)的(de)佩(pei)戴(dai)體(ti)驗(yan)。

 

1.2 紅外測溫儀

 

jiancetiwenduizaoqiyufangjibingyouhendadezuoyong。hongwaicewenyikeyizaibujiechurentideqingkuangxiaceliangwendu，zheyouzhuyuhuanjiejiechuganrandechuanbo。hongwaicewenyitongguo傳感器接收人體發出的紅外線, 得出感應溫度數據。非常適合對流感快速，非接觸式的安全排查。

 

圖3. 紅外測溫儀的組成

 

電源軌部分：

 

整個係統通過1~2節的AAA電池供電，為了匹配MCU的工作性能，係統需要使用一個低功耗的boost將電壓升到一個穩定的值
，一般是3.3V，來為MCU，LCD，LED，傳感器以及運放供電。通常會有LDO級聯在Boost芯xin片pian之zhi後hou用yong於yu提ti升sheng傳chuan感gan器qi輸shu入ru信xin號hao的de質zhi量liang。如ru果guo在zai人ren流liu較jiao多duo的de場chang合he使shi用yong，就jiu有you長chang待dai機ji需xu求qiu。此ci時shi可ke以yi選xuan擇ze加jia入ru虛xu線xian框kuang類lei的de並bing聯lian二er極ji管guan網wang絡luo，在zai電dian池chi電dian壓ya較jiao高gao時shi采cai用yong電dian池chi直zhi接jie給gei係xi統tong供gong電dian。當dang電dian池chi電dian壓ya低di於yuMCU的門限電壓時
，采用Boost電路為係統供電。從而最大化的延長電池的使用時間。

 

信號鏈部分：

 

yonghutongguoanjianlaikaiqihongwaicewenxitongdeyunxing。xitongtongguohongwaichuanganqihewenduchuanganqiganzhibeicewudewendu

，ruguoshimonichuanganqi，huijingguoyijimoniyunfangjiangtiaoliwandexinhaochuandidaoMCU中。如果是數字信號
，一般通過I2C將信號傳遞到MCU中。MCU采集到相應的信號之後，執行相應的算法
，將被測物體的溫度信息顯示到LCD屏幕上，LCD的背光一般采用一個LED燈。如果被測物體的溫度高於37℃，蜂鳴器就會進行提示。

 

紅外體溫檢測儀對設備電池供電的續航提出了要求，因此測溫儀的低功耗運行便成為係統設計的關鍵挑戰。為了匹配MCU的工作性能，常見的供電電壓為3.3V/5V。LCD屏幕常見的供電電壓為3V。

 

圖4是一個典型AAA電池的放電曲線
，一般MCU的最低工作電壓為2.2V。在兩節電池串聯供電的場合下
， 考慮幹電池的內阻為300毫歐時，在50mA的放電電流之下，單節電池在1.25V時已經不能為MCU提供電能。通過電池廠家提供的數據手冊可以得到單節電池1.25V時的放電時長為10h，而在0.8V時放電時長可達到22h。相比於電池直接為MCU供電的方式，采用Boost芯片後可以在同樣功耗下將係統的運行時間延長大約120%。

 

圖4. AAA電池在21℃的放電曲線（來自Energizer數據手冊）

 

1.3 血氧測試儀

 

通過檢測還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白，對紅光LED(660nm)和紅外光LED(910nm)這兩種不同波長的光吸收的區別
，將檢測的數據差作為血氧飽和度最基本的數據。

 

根據“第四版新型冠狀病毒診療方案”，靜息狀態下（沒有運動和情緒激動）血氧低於93%（居家建議低於95%），可能有肺部感染，建議即時就醫診治。

 

圖5. 血氧測試儀組成：

 

電源軌部分：

 

係統的輸入是1~2節的AAA電池，通過一個低功耗的boost將電壓升到一個穩定的值，一般是3.3V，來為MCU
，LED傳感器，運放以及LCD供電。如果客戶對係統的噪聲比較敏感，也可在Boost之後級聯一個LDO為光電傳感器
，調理運放以及MCU進行供電。

 

信號鏈部分：

 

係統開機後，發射裝置啟動，紅外光和紅光LED交替發光。此時將被測物放在發射裝置與接收傳感器（多為光電二極管）之間，通過運放將接收到的模擬信號進行濾波與放大。經由ADC進行采集（多集成在MCU內部）
，最終MCU將處理過的信號輸出在小型液晶上。

 

在血氧測試儀使用中，紅外LED的供電電壓大概在3.3V左右，所以需要一個升壓芯片把2s AAA電池的電壓升高到3.3V給紅光LED和紅外LED交替供電，此時LED驅動電流會有幾十Hz到幾百Hz的(de)負(fu)載(zai)瞬(shun)變(bian)。瞬(shun)變(bian)過(guo)程(cheng)中(zhong)需(xu)要(yao)保(bao)證(zheng)紅(hong)外(wai)發(fa)射(she)接(jie)收(shou)裝(zhuang)置(zhi)信(xin)號(hao)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)來(lai)提(ti)升(sheng)測(ce)量(liang)的(de)精(jing)確(que)性(xing)。這(zhe)也(ye)對(dui)升(sheng)壓(ya)芯(xin)片(pian)負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)性(xing)能(neng)提(ti)出(chu)了(le)要(yao)求(qiu)。

 

因為隻有在檢測時血氧儀才會開始工作，大多時候係統都是關斷的
，所以boost的關斷電流對係統的總體損耗至關重要。TPS61023 100nA的超低關斷電流，可以在很大程度上幫助客戶延長使用時間。由於整個係統在運行時電源功耗也比較低，因此PFM的方式也能極大的提升係統的工作效率。

 

同樣
，Boost芯片可以在穩定輸出電壓的同時，可以充分利用電池的電量
，從而延長係統的使用時間。

 

為了給客戶帶來較好的用戶體驗，輕載高效
、低關斷電流、快速響應、低成本也是客戶主要關心的特性。

 

2 TI boost解決方案

 

針對如上設計要求
，TI提供了一款低功耗高效率的升壓芯片解決方案。

 

TPS61023具有如下特性：

 

●   TPS61023是一個支持0.5 V至5.5 V的同步升壓轉換器。超低的輸入電壓可以使電池深度放電。

●   TPS61023具有68mΩ和47 mΩ上下管MOSFET的導通電阻，來保證係統高效的工作。在輕載下可以進入省電模式在整個條件下保持高效率的條件負載電流範圍。

●   TPS61023具有100nA的關斷電流
，適用於不總是在線的應用來實現更長的電池壽命生活。

●   TPS61023具有5.7V輸出過壓保護
，輸出短路保護和熱保護關機保護。

●   TPS61023提供了非常小的尺寸1.2mm×1.6mm SOT563（DRL）具有最少的外部組件數量。封裝有利於工業場合。

●   在Vin> Vout時提供了Pass by功能

●   先進的封裝和晶圓技術保證成本上的優勢。

 

3 TPS61023係統介紹：

 

TI的官網提供了TPS61023EVM-052 Evaluation module user''''s guide供設計者參考。本文根據該EVM板對客戶關心的芯片效率特性以及負載響應特性進行了相關測試：

 

4.1 輕載高效：

 

圖 6. 不同輸入下的負載效率

 

圖 7. 不同輸出下的負載效率

 

當輸出在20mA到200mA的場合下
，TPS61023的效率可以高達95%左右，可以極大的提升係統在運行時的效率。

 

4.2 關斷電流特性

 

圖 8. 關斷電流 vs 溫度

 

係統的關斷電流在常溫下低至100nA，從而極大的延長電池的存儲時長。

 

4.3 瞬態響應特性

 

圖9. 負載瞬態響應

 

係統可以在高達2500kHz的負載階躍下具有良好的速度響應特性和小於6%的電壓過充。

 

根據TPS61023的特性以及相關波形，可以發現TPS61023是一款非常適合用於電動口罩
，紅外測溫儀以及血氧濃度儀的高效率升壓芯片。

 

 

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