帶有備用電池的開(kāi)源緊急呼吸機(jī)設(shè)計(jì)第一部分

隨著COVID-19在 2020 年初的傳播，全球緊急呼吸機(jī)短缺是最大的擔(dān)憂(yōu)之一。對(duì)呼吸機(jī)不斷增長(zhǎng)的需求意味著它們很快就會(huì)供不應(yīng)求，因此 Monolithic Power Systems (MPS) 的一個(gè)設(shè)計(jì)工程師團(tuán)隊(duì)尋求幫助創(chuàng)建解決這一危機(jī)的解決方案。

雖然 MPS 不是醫(yī)療設(shè)備制造商，但其工程師和設(shè)計(jì)師在電力電子和電機(jī)控制方面經(jīng)驗(yàn)豐富。鑒于呼吸機(jī)、呼吸器和呼吸機(jī)類(lèi)機(jī)器的技術(shù)架構(gòu)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用其專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)幫助對(duì)抗全球流行病。

本文將總結(jié)開(kāi)源“緊急呼吸機(jī)”的開(kāi)發(fā)過(guò)程，同時(shí)展示電源解決方案如何促進(jìn)此類(lèi)醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)。

標(biāo)桿設(shè)計(jì)

在考慮可以解決即將到來(lái)的呼吸機(jī)短缺的具體需求時(shí)，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了制造商/DIY 社區(qū)。這項(xiàng)搜索導(dǎo)致了由麻省理工學(xué)院的技術(shù)和醫(yī)療團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的緊急呼吸機(jī)項(xiàng)目 (E-Vent) 。麻省理工學(xué)院的 E-Vent 項(xiàng)目是一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，它為世界各地的團(tuán)隊(duì)提供臨床和設(shè)計(jì)信息，通過(guò)自動(dòng)手動(dòng)袋閥面罩 (BVM) 構(gòu)建自己的緊急使用呼吸機(jī)。

“呼吸機(jī)”廣泛用于描述提供通風(fēng)的設(shè)備，但重要的是要注意緊急使用的自動(dòng) BVM 機(jī)器與全功能呼吸機(jī)之間的差異。

成熟的呼吸機(jī)是復(fù)雜的機(jī)器。呼吸機(jī)不只是迫使空氣進(jìn)出患者的肺部——它們還控制空氣量、流速、氧氣含量，甚至空氣溫度和濕度。此外，必須監(jiān)控可能危及患者的任何情況，以觸發(fā)適當(dāng)?shù)木瘓?bào)或糾正措施。

相比之下，自動(dòng) BVM，例如 E-Vent 系統(tǒng)，并不是功能齊全的呼吸機(jī)。雖然自動(dòng)化 BVM 提供通風(fēng)并包括基本級(jí)別的安全監(jiān)控，但它們是緊急使用的橋梁設(shè)備，可將其他手動(dòng)過(guò)程自動(dòng)化。

自動(dòng) BVM 旨在維持患者直到有呼吸機(jī)可用，同時(shí)允許醫(yī)務(wù)人員同時(shí)支持多名患者。這里值得一提的是，BVM 是一種可能帶來(lái)醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)的橋接設(shè)備，只能在必要時(shí)使用。

呼吸機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)遵循麻省理工學(xué)院 E-Vent 系統(tǒng)的主要架構(gòu)，該系統(tǒng)使用基于 Arduino 的微控制器來(lái)處理用戶(hù)輸入、監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)并驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)來(lái)擠壓 BVM。然而，它采用 MPS 解決方案通過(guò)無(wú)縫電池備份來(lái)增強(qiáng)電源管理，并通過(guò)利用無(wú)刷直流 (BLDC) 智能電機(jī)改進(jìn)電機(jī)控制。該設(shè)計(jì)還集成了市售的傳動(dòng)系統(tǒng)組件，以創(chuàng)建一個(gè)緊湊的設(shè)備。

· MP2759是一款帶電源路徑管理的開(kāi)關(guān)充電器，集成為 EV2759-Q-01A 評(píng)估板的一部分。

· MPM3510A是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器模塊，集成為 EVM3510A-QV-00A 評(píng)估板的一部分。

· MP3910A是一款升壓 PWM 控制器，集成為 EV3910A-S-00A 評(píng)估板的一部分。

MP2759 是一款高度集成的開(kāi)關(guān)充電器，適用于1-6節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池組串聯(lián)供電的應(yīng)用。它支持具有不同充滿(mǎn)電壓的多種電池類(lèi)型。MP2759可在最高36V的直流輸入電壓條件下工作。當(dāng)提供電源輸入時(shí)，MP2759 通過(guò)4個(gè)充電階段為電池充電：涓流電流充電、預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。

MP2759具有輸入電流限制和最小輸入電壓限制功能。當(dāng)輸入電流達(dá)到輸入電流限值或輸入電壓降至最小輸入電壓限值時(shí)，MP2759自動(dòng)降低充電電流以限制輸入功率。為保證安全運(yùn)行，MP2759 提供強(qiáng)大的保護(hù)功能，包括：電池過(guò)壓保護(hù)、電池溫度檢測(cè)和保護(hù)、過(guò)溫關(guān)斷和充電安全計(jì)時(shí)器。

MPM3510A 是一款內(nèi)置功率 MOSFET、電感和2個(gè)電容的同步整流降壓變換器。它提供了非常緊湊的解決方案，僅需4個(gè)外部元器件，即可在寬輸入范圍實(shí)現(xiàn) 1.2A 的連續(xù)輸出電流，具有極好的負(fù)載和線(xiàn)性調(diào)整率。MPM3510A工作在1.15MHz的開(kāi)關(guān)頻率上，其1.15MHz的開(kāi)關(guān)頻率提供了快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。全方位的保護(hù)包括過(guò)流保護(hù)(OCP)和過(guò)溫關(guān)斷保護(hù)(TSD)。MPM3510A可顯著提升產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)還能避免設(shè)計(jì)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。MPM3510A采用節(jié)省空間的 QFN-19 (3mmx5mmx1.6mm) 封裝。

MP3910A 是一款峰值電流控制模式 PWM 控制器，可驅(qū)動(dòng)超過(guò) 10A 電流處理能力的外部 MOSFET。它具有 400μA 的典型工作電流，適用于隔離式和非隔離式反激升壓應(yīng)用。

電流控制模式提供了固有的簡(jiǎn)單環(huán)路補(bǔ)償和逐周期限流保護(hù)。欠壓鎖定保護(hù)、軟啟動(dòng)功能和斜坡補(bǔ)償，這些功能使其能最大限度地減少外部所需部件。

MP3910A 適用于反激應(yīng)用，同時(shí)也可用于其他拓?fù)?，包括升壓、正激?SEPIC。1A 柵極驅(qū)動(dòng)器減少了外部 MOSFET 的開(kāi)關(guān)功率損耗，可用于各種標(biāo)準(zhǔn)閾值的設(shè)備。此外，MP3910A 具有跳頻模式功能，可提高輕載或空載時(shí)的效率。它還提供用于過(guò)載、過(guò)壓和短路條件下的打嗝保護(hù)功能。MP3910A 采用 SOIC8 封裝。