呼吸机系统鼓风和阀门控制设计方案

本方案面向呼吸机、麻醉给药系统、CPAP 呼吸机、制氧机等应用，能够支持电机加减速高达±200kRPM/s，这是许多呼吸机应用中的关键要求）。方案支持包括TMS320F28027F在内的许多板外 C2000控制器，从而实现低成本、无传感器的磁场定向控制(FOC)。此外,该设计支持宽输入电压范围6V至28V），能够同时调节线路功率和电池功率。

 

此方案结构紧凑，主要特点包括：
•高达±200kRPM/s 的快速加速和减速。
•250毫秒内从10kRPM增至40kRPM (C65MS1-L5)。
•200毫秒内从40kRPM 降至10kRPM (C65MS1-L5)。
•宽输入电压范围6V至28V）支持直流或电池的稳压输入，具有电源保护，防止浪涌、过流和反极性。
•具有板外FOC控制的DRV8323R电机驱动器可安静且高效地产生压缩空气。
•集成驱动器保护特性包括UVLO、过流和过热保护。
•用于控制六个电磁阀的双路DRV8847 H桥步进驱动器。

方案说明

在一些情况下，用机器辅助患者呼吸是一种必要的医疗手段，因具体应用而异，这些机器可能需要电机和阀门。例如，呼吸机使用电机产生压缩空气，并使用阀门系统输送压缩空气或将肺部 空气释放回大气中，以便通过机械方式辅助呼吸。呼吸机还可与麻醉给药系统配合使用，使患者保持在安全的麻醉状态中。麻醉给药系统包含许多瓣膜，用于混合药物和保护患者。呼吸机通 常用于医院、机构、运输和家庭环境中。

 

呼吸机系统有三种基本的驱动机构：风箱、活塞和涡轮。对于风箱系统，通常情况下，伺服阀控制气动力，气动力使风箱中的空气压缩。对于活塞系统，通常情况下，由BLDC或直流伺服电机 移动活塞来压缩空气。对于涡轮系统，通常情况下，使用BLDC电机驱动涡轮（风机）。

此参考设计的不同方面需要考虑到不同的呼吸应用。CPAP呼吸机主要需要此设计中的BLDC电机驱动器部分，而麻醉给药系统需要阀驱动器部分。氧气浓缩器和呼吸机将二者结合使用。

 

 

（1）无刷直流电机 (BLDC)

可以使用几种电机类型为上述应用产生压缩空气，包括有刷直流(BDC)、BLDC甚至是交流电机。在上述三种类型中，交流电机最易于控制。然而，交流电机使用额外能源来产生电磁体，这降低 了其效率，而且它们的物理尺寸往往比BDC和BLDC电机都大。交流电机也不能快速改变速度。

与BLDC电机相比，BDC电机往往成本更低，控制方案也更简单。然而， BLDC具有的若干优势特别适用于呼吸医疗应用。这些电机的最大优势是它们是无刷、非接触式的，这就意味着它们本身 比BDC电机更加安静，寿命也更长。由于电刷会随着时间的推移而退化，有刷直流电机则会更快地磨损。此外，虽然BLDC电机的控制要复杂得多，但BLDC电机在给定电机功率下是最高效的电机 类型，并且尺寸最小。与其他电机类型相比，无刷直流电机还能实现最高速度和最佳动态速度性能（加速和减速）。

为了实现最安静和最高效的运行，通常使用磁场定向控制 (FOC) 作为控制算法。FOC是一种将所有扭矩施加在垂直于转子的电机上的技术；这样可实现最大的驱动效率。此外，许多系统实施 无传感器控制方案，这意味着电机本身没有嵌入式霍尔效应传感器。无传感器驱动方案允许使用更多类型的电机，然而，如果所用电机内置有传感器，也可实施有传感器驱动系统。方案采用 了一项称为InstaSpin-FOC的技术，该技术在选定的Piccolo系列MCU上运行，与从头设计控制方案相比，可以更快地构建无传感器FOC。

基于DRV8323RS的若干功能，本设计选用它作为电机栅极驱动器。例如，DRV8323RS具有三个集成半桥驱动器，能够为MOSFET栅极提供2A 电流和吸收1A电流。DRV8323RS还集成了用于实现100% 占空比的高侧MOSFET的电荷泵，能够支持高达600mA供外部使用的异步降压转换器以及三个用于检测电机电流的低侧电流检测放大器。选择此器件的另一重要原因是它能够处理此参考设计所需 的整个电压范围，即6-28V。

为了实现所需FOC算法，已选用最新的Piccolo MCU TMS320F28027F来运行TI的InstaSpin-FOC控制软件。该参考设计包含连接至Piccolo的Launchpad的连接器。这样，FOC通过即插即用外围设 备集成到设计中，允许用户轻松测试此控制算法。

（2）电磁阀驱动器

电磁阀是许多呼吸应用（例如氧气浓缩器）的关键组件，用于实现多种功能。氧气浓缩器使用压缩机将空气和氧气分离到单独的罐中。然后启动电磁阀，将特定量的每种气体释放到腔室中， 再使用单独的阀片通过面罩将混合气体输送给患者。如果检测到故障，电磁阀还可以停止气流流向面罩。这些阀片在麻醉给药系统中同样有用，在该系统中，多种气体在输送给患者之前通常 都需混合在一起。氧气浓缩器往往有4-6个这种阀片，而麻醉给药系统往往有15个以上。

电磁阀有不同的配置来控制流液体或气流的流动。最简单的配置是将两个管道连接形成2通阀；但也有3通接头和4通接头，这些接头可以是简易的开/关阀片、二进制阀、自锁阀或抖动阀。每 种不同的阀类型都需要不同的控制方法，但此参考设计只关注控制最简单的开/关阀。开/关阀天然地具有一个未通电位置，通过施加电流使电磁阀通电从而操作开/关阀以改变阀的位置。在自 然关闭的2通阀中，阀片会关闭，防止流体或气体流动，直到电磁阀通电，才会打开阀片使流体或气体流动。另一个示例是，在 3 通连接阀中，自然位置将三个管道中的两个连接在一起，并 在阀片通电后会连接两个不同的管道。

可以直接控制开/关阀，其中需要将电流施加给电磁阀使阀片。有些开/关阀是单向的，只能接受单一方向的电流进行通电，还有一些阀是双向的。所需的电流量取决于具体的阀片，但电磁阀 的电流波形是一致的。最初，需要一个峰值电流来为阀片通电，同时需要较低的电流量来维持通电状态。无论方向如何，这些阀片均可由低侧或高侧 MOSFET 和阀驱动器稍作控制，这些驱动 器可以接收 MCU 的输入，使阀片通电。虽然简单，但此控制方案可能较为低效，因为它会将电流保持在峰值，而不是降低电流以保持通电状态。通过添加电流反馈路径，可以实现峰值-保持 控制，使电流降低，且保持通电状态，以提升系统效率。一些阀驱动器集成了峰值-保持控制，而另外一些则需要 MCU 来读取电流并实现控制。

对于此参考设计，选用了DRV8847（是一款18V、2A双路H桥电机驱动器）来驱动电磁阀。器件中的每个半桥可单独控制，也就是说 DRV8847 能够驱动多达四个单向阀或两个双向阀。本设计采 用两个DRV8847 IC，一个用于单向控制，一个用于双向控制。DRV8847能够通过每个半桥驱动 1A的电流，集成MOSFET 具有1Ω 的 RDS(on)。该器件还集成了一个电流感应放大器，来进行过流 保护；然而，驱动器未融合峰值-保持控制选项，因此必须由MCU来实现。DRV8847的每个半桥由本地MCU 的PWM驱动，所选 MCU为MSP430FR2155。之所以选择此MCU， 是因为它具有所有必要的 外设，外形很小且性价比高。

泵也是呼吸系统必不可少的部分，有助于将空气和药物泵入肺中。这些泵常常需要精准、细微的电机控制，可以电动操作。高微步进青睐于步进电机和双路 H 桥驱动器，例如 DRV8825 和 DRV8886AT。根据不同的系统要求，电磁阀/阀和泵可连接到电流要求不同 12V、24V、36V 甚至48V的电源轨。

（3）电源树架构

长久以来，这些呼吸应用一直在使用隔离交流/直流电源模块为系统提供 12V、19V 或 24V 直流总线电压。系统要么使用更高的直流总线电压直接驱动电机和阀门，要么通过降压转换器降低 电压。然而，随着许多此类系统的市场趋向便携性，它们将不得不采用电压范围估计为6-14V的电池供电。由于这种转变，本参考设计定义的输入电压范围为 6-28V。此外，便携性趋势意味着 关键系统要求包括高效率，以便实现更长的电池寿命。通常对于这些系统，需优先解决方案尺寸，本参考设计中已考虑到这一点。

DRV8323RS 能够在整个电压范围内运行，因此 DRV8323RS 和 BLDC 电机直接连接到输入电压源。然而，电磁阀需要在单一直流电压下工作，因此选用稳定的12V电压输入后选用LM5122宽输入 同步升压控制器作为电源树的第一级。因为同步控制器支持选择两个开关MOSFE，故该器件配置为升压至14V以涵盖电池电压范围，还可获得最高效率。此外，该器件还有外部电荷泵的独特特 性，当输入电压高于设定的输出电压时，可驱动高侧 MOSFET。此模式称为直通模式，允许功率有效地通过高侧 MOSFET而不改变输入电压。

值得注意的是，该器件在峰值电流模式控制下运行以实现快速瞬态响应。LMR33630是一款 3A 同步降压转换器，因其小巧高效而被选用。该器件已配置为从可能的14-28V输入范围降至12V，以 涵盖其余输入电压范围。设计中优化了这两个器件的放置，以展示各自的解决方案尺寸。

芯齐齐BOM分析

作为医用设备，方案使用了DRV8323R智能栅极驱动器和DRV8847电机驱动器共24颗芯片，实现了电池持续使用4-10小时的便捷式高效系统设计。

 

芯齐齐BOM分析工具显示，DRV8323RS是一款智能栅极三相BLDC电机驱动器，集成了三个半桥栅极驱动器，一个用 于驱动高侧N沟道MOSFET的电荷泵和一个用于驱动低侧N 沟道MOSFET的线性稳 压器。这些半桥由智能栅极驱动架构控制，该架构能够为MOSFET栅极提供高达1A的拉电流和高达2A的灌电流，从而实现精确控制。智能栅极技术还允许电机驱动器动态地调整栅极驱动输出的 强度，从而优化效率，并减少栅极驱动电路所需的外部无源组件。除了栅极驱动器，DRV8323RS还为三个相位分别集成了三个电流分流放大器，以实现过流保护 (OCP)。DRV8323RS设置可通过 SPI进行编程，而栅极驱动器从MCU获取PWM输入。

DRV8847是双路H桥电机驱动器，能够根据所用配置和所选设置驱动单路BDC电机、双路BDC电机、双极步进电机和电磁阀。该器件由四个带有集成N沟道MOSFET的独立半桥组成，每个MOSFET具有 1000mΩ 的RDS(ON)。根据DRV8847的配置，半桥可以作为独立的 H 桥单独驱动，也可以根据通过I2C或外部电阻器（取决于不同的电阻）选择的设置。在为器件本身供电方面，DRV8847能够采 用2.7-18V的输入电压范围，并具有的睡眠模式，以实现高效设计。

TPS62840是一款最新的低电压、低 IQ同步降压直流/直流转换器，其对高效率和小解决方案尺寸进行了优化。TPS62840系列能够承受1.8V至6.5V的输入电压，并降至0.8V至3.4V的输出电压。 根据所选器件的不同，使用外部电阻器从16个选项中选择输出电压。为确保设计效率，器件中集成了补偿网络。因此，器件专门设计为与外部 2.2μH电感器和外部10μF电容器配合使用，以 实现报告中的±2% 输出电压精度规格。

TPS7A02是一款最新的低电压、超低IQ低压差稳压器 (LDO)，其对解决方案大小和效率进行了优化。该系列器件能够提供200mA的拉电流，对于3.3V输出型号，其规定最大压差为204mV。 TPS7A02提供三种可能的封装选项，包括X2SON、DSBGA和SOT-23，其中，DSBGA最小，尺寸为0.65mm x 0.65mm，适用于对外 形要求最苛刻的应用。

LM5122是一种宽输入同步升压(boost)控制器，能够利用3-65V的输入电压范围，其最大输出电压为100V。在本设计中，此器件用于将电池电平电压升至14V，为DRV8847 IC和电磁阀预升压。然 而，由于此设计的输入电压范围最高为28V，故此升压控制器的最大优势在于高效的旁路模式。如果输入电压等于或高于所设的输出电压，此器件则使用连接到输入电压的内部电荷泵，以使串 联MOSFET的栅极保持为高电平。这样可实现 LM5122的有效旁路，主要损耗来自MOSFET 的 RDS(ON)。

LMR33630是simple switcher 3A同步直流/直流降压转换器，其对解决方案大小和效率进行了优化。LMR33630还集成了大多数设置所需的大部分无源器件，从而实现了更小的解决方案尺寸。 然而，除了用于调节输出电压的外部电感器、输入电容器、输出电容器和反馈网络，其确实需要Vcc电容器和自举电容器。该器件采用HSOIC装，尺寸为5mm x 4mm，或VQFN封装，尺寸为3mm x  2mm。

TMP1075温度传感器是行业标准数字温度传感器LM75或TMP75的更新替代产品。TMP1075采用SOIC和VSSOP封装，与TMP75和LM75引脚对引脚兼容，轻松实现兼容性。该温度传感器的精度在较大范 围内为±11 oC，全温度范围内的最大为±2 oC。除了尺寸和精度外，该器件对于具有精度范围公差的许多应用还是经济实惠的解决方案。

MSP430FR2155是功耗超低且成本低廉的设备中MSP430 MCU 超值系列的一部分，用于检测和测量应用。该器件集成了 12 通道、12 位 ADC，两个增强型比较器和一个 32KB 非易失性FRAM。此  MSP430能够在1.8V 至 3.6V的电源电压下运行，并优化了低功耗模式，以降低功耗。处于运行状态时、该器件在3V输入电压下消耗 142μA/MHz，在待机模式时消耗 约1.43μA，关闭模式时则 消耗 42nA。除了低功耗外，内部电压基准可缩小解决方案尺寸并精准地读取ADC数。

LM74700-Q1是一款低IQ、提供反向电池保护的理想二极管控制器，其驱动外部N沟道MOSFET作为理想二极管整流器，以实现低功率损耗，并从输入到输出将压降调整为20mV。LM74700-Q1最初是 针对汽车应用设计的，其能够在宽输入电压范围（3.2V至65V）内运行，还能够处理高达-65V的反向电压。该器件还有一个启用引脚，可用于从外部启用和禁用LM74700-Q1，以便在内部输出电 压和输入电压比较器之外进行精准控制。LM74700-Q1采用小型SOT-23封装，可支持小型设计，但确实需要前面提到的外部 MOSFET。

CSD88584Q5DC是 一款40V半桥NexFET电源块器件，将两个N沟道功率MOSFET 集成到单个5mm x 6mm 封装中，具有用于栅极驱动信号的引脚和用于开关节点的检测引脚。为了帮助缓解任何潜在 的热问题，这些器件在顶部配置有裸露的金属焊盘，金属焊盘可连接到散热器以实现最佳散热。这些MOSFET还经过优化，可在5kHz至50kHz 的开关频率（这是BLDC电机的典型开关频率）之间 运行。

CSD18543Q3A 是单个 60V N 沟道 NexFET 功率 MOSFET，其对解决方案尺寸和功率密度进行了优化。该器件采用 3.3mm x 3.3mm 封装，RDS(ON) 低于 12mΩ，有助于限制功率损耗，并缓解潜 在的热问题。该器件的最大连续电流为12A，是本设计中预期的输入电流的两倍。此器件的其他优势包括：额定脉冲漏极电流为156A，工作温度范围宽，高达150 oC。

CSD18532Q5B是单个60V N沟道NexFET功率 MOSFET，其对低功率损耗进行了优化，RDS(ON)仅为 2.5mΩ。选用该器件作为反极性MOSFET，与LM74700-Q1配合使用，因此功率损耗、电流额定值和 热性能是选择适当器件时的关键指标。此MOSFET的连续额定电流为23A，高于此设计中预期的峰值电流。该器件也采用 5mm x 6mm 封装，对散热性能进行了优化。除了这些规格外，还需要考 虑44nC 的总栅极电荷，因为这有助于确定MOSFET在检测到反极性时能够以多快的速度关闭。

TVS3301是双向平缓钳位浪涌保护器件，其功能与双向 TVS二极管相同。该器件既能够防止 IEC 61000-4-5浪涌电流和电压波形，还能够防止IEC61643-321波形。该器件的工作范围为±33V， 在发生浪涌时可将电压钳位至最大40V，可能够提供高达 27A的灌电流，这些是由 IEC 61000-4-5定义的。该器件的电容也较低，为54pF，这在信号链应用中特别有用。与传统TVS二极管相比 ，TVS3301导通状态电阻明显低于TVS二极管，封装尺寸也明显缩小。

TPD4E1U06是一款四通道、高速、单向ESD保护器件，能够承受ESD事件和浪涌事件。该器件规定能够承受IEC61000-4-2 4级ESD事件，其中包括±15kV接触放电和 ±15kV气隙放电。该器件还可承受IEC 61000-4-5中规定的3A浪涌，以及IEC 61000-4-4中规定的80A EFT事件。
 

审核编辑：汤梓红