【導(dǎo)讀】這篇博客根據(jù)電動口罩，紅外測溫儀以及血氧濃度儀這3個熱門應(yīng)用提出了一種高效率的供電方案。解決方案主要針對1~2節(jié)干電池或單節(jié)鋰電池輸入的場景，提供了TI高效率低功耗的升壓解決方案。該方案可以提供低至100nA的關(guān)斷電流，并且具有輕載高效模式，可以延長電池的使用壽命，此外還具有良好的負載響應(yīng)特性，來提升用戶的使用體驗。
1.1 電動口罩
口罩作為保護我們呼吸系統(tǒng)的過濾屏障，可有效預(yù)防傳染病。電動口罩通過內(nèi)部的風(fēng)扇吸入外界空氣，提升用戶長時間佩戴的舒適度，循環(huán)換氣功能也能讓即戴眼鏡也佩口罩時鏡片起霧問題得到改善。此外，電動口罩還有防護性好以及可以循環(huán)使用的優(yōu)點。
圖 1. 電動口罩的組成：
電源軌架構(gòu)：
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，之后通過LDO為MCU提供電能。為了提升馬達驅(qū)動的效率。需要升壓芯片將電壓升高到5V左右為馬達驅(qū)動供電。
信號鏈架構(gòu)：
當(dāng)外部按鍵給MCU提供電動口罩的開關(guān)信號和風(fēng)力等級后， MCU會輸出相應(yīng)的PWM信號，按照對應(yīng)的風(fēng)力等級通過馬達驅(qū)動使三相無刷直流電機平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)。
在設(shè)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(qū)動芯片DRV10964，可以看到當(dāng)馬達驅(qū)動的供電電壓從3.3V提升到5V的時候，馬達驅(qū)動MOSFET的Rds (on) 降低了1/3左右, 從而降低馬達驅(qū)動的通態(tài)損耗，提升系統(tǒng)的工作效率。
圖2. RDS (ON) vs Power Supply at 25°C
因此，一個合適的升壓芯片，可以幫助客戶提升整體的效率，延長電池的使用時長。穩(wěn)定的供電電壓還會降低電動口罩的噪音問題，提升使用者的佩戴體驗。
1.2 紅外測溫儀
監(jiān)測體溫對早期預(yù)防疾病有很大的作用。紅外測溫儀可以在不接觸人體的情況下測量溫度，這有助于緩解接觸感染的傳播。紅外測溫儀通過傳感器接收人體發(fā)出的紅外線, 得出感應(yīng)溫度數(shù)據(jù)。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：
整個系統(tǒng)通過1~2節(jié)的AAA電池供電，為了匹配MCU的工作性能，系統(tǒng)需要使用一個低功耗的boost將電壓升到一個穩(wěn)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(lián)在Boost芯片之后用于提升傳感器輸入信號的質(zhì)量。如果在人流較多的場合使用，就有長待機需求。此時可以選擇加入虛線框類的并聯(lián)二極管網(wǎng)絡(luò)，在電池電壓較高時采用電池直接給系統(tǒng)供電。當(dāng)電池電壓低于MCU的門限電壓時，采用Boost電路為系統(tǒng)供電。從而最大化的延長電池的使用時間。
信號鏈部分：
用戶通過按鍵來開啟紅外測溫系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)通過紅外傳感器和溫度傳感器感知被測物的溫度，如果使模擬傳感器，會經(jīng)過一級模擬運放將調(diào)理完的信號傳遞到MCU中。如果是數(shù)字信號，一般通過I2C將信號傳遞到MCU中。MCU采集到相應(yīng)的信號之后，執(zhí)行相應(yīng)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于37℃，蜂鳴器就會進行提示。
紅外體溫檢測儀對設(shè)備電池供電的續(xù)航提出了要求，因此測溫儀的低功耗運行便成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。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(jié)電池串聯(lián)供電的場合下， 考慮干電池的內(nèi)阻為300毫歐時，在50mA的放電電流之下，單節(jié)電池在1.25V時已經(jīng)不能為MCU提供電能。通過電池廠家提供的數(shù)據(jù)手冊可以得到單節(jié)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。相比于電池直接為MCU供電的方式，采用Boost芯片后可以在同樣功耗下將系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(qū)別，將檢測的數(shù)據(jù)差作為血氧飽和度最基本的數(shù)據(jù)。
根據(jù)“第四版新型冠狀病毒診療方案”，靜息狀態(tài)下（沒有運動和情緒激動）血氧低于93%（居家建議低于95%），可能有肺部感染，建議即時就醫(yī)診治。
圖5. 血氧測試儀組成：
電源軌部分：
系統(tǒng)的輸入是1~2節(jié)的AAA電池，通過一個低功耗的boost將電壓升到一個穩(wěn)定的值，一般是3.3V，來為MCU，LED傳感器，運放以及LCD供電。如果客戶對系統(tǒng)的噪聲比較敏感，也可在Boost之后級聯(lián)一個LDO為光電傳感器，調(diào)理運放以及MCU進行供電。
信號鏈部分：
系統(tǒng)開機后，發(fā)射裝置啟動，紅外光和紅光LED交替發(fā)光。此時將被測物放在發(fā)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(jīng)由ADC進行采集（多集成在MCU內(nèi)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(qū)動電流會有幾十Hz到幾百Hz的負載瞬變。瞬變過程中需要保證紅外發(fā)射接收裝置信號的穩(wěn)定性來提升測量的精確性。這也對升壓芯片負載瞬態(tài)響應(yīng)性能提出了要求。
因為只有在檢測時血氧儀才會開始工作，大多時候系統(tǒng)都是關(guān)斷的，所以boost的關(guān)斷電流對系統(tǒng)的總體損耗至關(guān)重要。TPS61023 100nA的超低關(guān)斷電流，可以在很大程度上幫助客戶延長使用時間。由于整個系統(tǒng)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系統(tǒng)的工作效率。
同樣，Boost芯片可以在穩(wěn)定輸出電壓的同時，可以充分利用電池的電量，從而延長系統(tǒng)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(guān)斷電流、快速響應(yīng)、低成本也是客戶主要關(guān)心的特性。
2 TI boost解決方案
針對如上設(shè)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(zhuǎn)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(dǎo)通電阻，來保證系統(tǒng)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范圍。
● TPS61023具有100nA的關(guān)斷電流，適用于不總是在線的應(yīng)用來實現(xiàn)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(guān)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(shù)量。封裝有利于工業(yè)場合。
● 在Vin> Vout時提供了Pass by功能
● 先進的封裝和晶圓技術(shù)保證成本上的優(yōu)勢。
3 TPS61023系統(tǒng)介紹：
TI的官網(wǎng)提供了TPS61023EVM-052 Evaluation module user''''s guide供設(shè)計者參考。本文根據(jù)該EVM板對客戶關(guān)心的芯片效率特性以及負載響應(yīng)特性進行了相關(guān)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(dāng)輸出在20mA到200mA的場合下，TPS61023的效率可以高達95%左右，可以極大的提升系統(tǒng)在運行時的效率。
4.2 關(guān)斷電流特性
圖 8. 關(guān)斷電流 vs 溫度
系統(tǒng)的關(guān)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(tài)響應(yīng)特性
圖9. 負載瞬態(tài)響應(yīng)
系統(tǒng)可以在高達2500kHz的負載階躍下具有良好的速度響應(yīng)特性和小于6%的電壓過充。
根據(jù)TPS61023的特性以及相關(guān)波形，可以發(fā)現(xiàn)TPS61023是一款非常適合用于電動口罩，紅外測溫儀以及血氧濃度儀的高效率升壓芯片。
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