【導(dǎo)讀】這篇博客根據(jù)電動(dòng)口罩，紅外測(cè)溫儀以及血氧濃度儀這3個(gè)熱門(mén)應(yīng)用提出了一種高效率的供電方案。解決方案主要針對(duì)1~2節(jié)干電池或單節(jié)鋰電池輸入的場(chǎng)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(zhǎng)電池的使用壽命，此外還具有良好的負(fù)載響應(yīng)特性，來(lái)提升用戶(hù)的使用體驗(yàn)。
1.1 電動(dòng)口罩
口罩作為保護(hù)我們呼吸系統(tǒng)的過(guò)濾屏障，可有效預(yù)防傳染病。電動(dòng)口罩通過(guò)內(nèi)部的風(fēng)扇吸入外界空氣，提升用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)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(shí)鏡片起霧問(wèn)題得到改善。此外，電動(dòng)口罩還有防護(hù)性好以及可以循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)。
圖 1. 電動(dòng)口罩的組成：
電源軌架構(gòu)：
為了方便佩戴者的使用，電動(dòng)口罩大都采用鋰電池供電，通過(guò)USB口為電池供電，之后通過(guò)LDO為MCU提供電能。為了提升馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的效率。需要升壓芯片將電壓升高到5V左右為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)供電。
信號(hào)鏈架構(gòu)：
當(dāng)外部按鍵給MCU提供電動(dòng)口罩的開(kāi)關(guān)信號(hào)和風(fēng)力等級(jí)后， MCU會(huì)輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)，按照對(duì)應(yīng)的風(fēng)力等級(jí)通過(guò)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)使三相無(wú)刷直流電機(jī)平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)。
在設(shè)計(jì)電動(dòng)口罩時(shí)，需要考慮電動(dòng)口罩的重量，體積以及噪音問(wèn)題。圖2是TI一款三相無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV10964，可以看到當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的供電電壓從3.3V提升到5V的時(shí)候，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)MOSFET的Rds (on) 降低了1/3左右, 從而降低馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(gè)合適的升壓芯片，可以幫助客戶(hù)提升整體的效率，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)長(zhǎng)。穩(wěn)定的供電電壓還會(huì)降低電動(dòng)口罩的噪音問(wèn)題，提升使用者的佩戴體驗(yàn)。
1.2 紅外測(cè)溫儀
監(jiān)測(cè)體溫對(duì)早期預(yù)防疾病有很大的作用。紅外測(cè)溫儀可以在不接觸人體的情況下測(cè)量溫度，這有助于緩解接觸感染的傳播。紅外測(cè)溫儀通過(guò)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(duì)流感快速，非接觸式的安全排查。
圖3. 紅外測(cè)溫儀的組成
電源軌部分：
整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)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(gè)低功耗的boost將電壓升到一個(gè)穩(wěn)定的值，一般是3.3V，來(lái)為MCU，LCD，LED，傳感器以及運(yùn)放供電。通常會(huì)有LDO級(jí)聯(lián)在Boost芯片之后用于提升傳感器輸入信號(hào)的質(zhì)量。如果在人流較多的場(chǎng)合使用，就有長(zhǎng)待機(jī)需求。此時(shí)可以選擇加入虛線框類(lèi)的并聯(lián)二極管網(wǎng)絡(luò)，在電池電壓較高時(shí)采用電池直接給系統(tǒng)供電。當(dāng)電池電壓低于MCU的門(mén)限電壓時(shí)，采用Boost電路為系統(tǒng)供電。從而最大化的延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。
信號(hào)鏈部分：
用戶(hù)通過(guò)按鍵來(lái)開(kāi)啟紅外測(cè)溫系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)通過(guò)紅外傳感器和溫度傳感器感知被測(cè)物的溫度，如果使模擬傳感器，會(huì)經(jīng)過(guò)一級(jí)模擬運(yùn)放將調(diào)理完的信號(hào)傳遞到MCU中。如果是數(shù)字信號(hào)，一般通過(guò)I2C將信號(hào)傳遞到MCU中。MCU采集到相應(yīng)的信號(hào)之后，執(zhí)行相應(yīng)的算法，將被測(cè)物體的溫度信息顯示到LCD屏幕上，LCD的背光一般采用一個(gè)LED燈。如果被測(cè)物體的溫度高于37℃，蜂鳴器就會(huì)進(jìn)行提示。
紅外體溫檢測(cè)儀對(duì)設(shè)備電池供電的續(xù)航提出了要求，因此測(cè)溫儀的低功耗運(yùn)行便成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為了匹配MCU的工作性能，常見(jiàn)的供電電壓為3.3V/5V。LCD屏幕常見(jiàn)的供電電壓為3V。
圖4是一個(gè)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(chǎng)合下， 考慮干電池的內(nèi)阻為300毫歐時(shí)，在50mA的放電電流之下，單節(jié)電池在1.25V時(shí)已經(jīng)不能為MCU提供電能。通過(guò)電池廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得到單節(jié)電池1.25V時(shí)的放電時(shí)長(zhǎng)為10h，而在0.8V時(shí)放電時(shí)長(zhǎng)可達(dá)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(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)大約120%。
圖4. AAA電池在21℃的放電曲線（來(lái)自Energizer數(shù)據(jù)手冊(cè)）
1.3 血氧測(cè)試儀
通過(guò)檢測(cè)還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白，對(duì)紅光LED(660nm)和紅外光LED(910nm)這兩種不同波長(zhǎng)的光吸收的區(qū)別，將檢測(cè)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(méi)有運(yùn)動(dòng)和情緒激動(dòng)）血氧低于93%（居家建議低于95%），可能有肺部感染，建議即時(shí)就醫(yī)診治。
圖5. 血氧測(cè)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(guò)一個(gè)低功耗的boost將電壓升到一個(gè)穩(wěn)定的值，一般是3.3V，來(lái)為MCU，LED傳感器，運(yùn)放以及LCD供電。如果客戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的噪聲比較敏感，也可在Boost之后級(jí)聯(lián)一個(gè)LDO為光電傳感器，調(diào)理運(yùn)放以及MCU進(jìn)行供電。
信號(hào)鏈部分：
系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，發(fā)射裝置啟動(dòng)，紅外光和紅光LED交替發(fā)光。此時(shí)將被測(cè)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(guò)運(yùn)放將接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波與放大。經(jīng)由ADC進(jìn)行采集（多集成在MCU內(nèi)部），最終MCU將處理過(guò)的信號(hào)輸出在小型液晶上。
在血氧測(cè)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(gè)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(shí)LED驅(qū)動(dòng)電流會(huì)有幾十Hz到幾百Hz的負(fù)載瞬變。瞬變過(guò)程中需要保證紅外發(fā)射接收裝置信號(hào)的穩(wěn)定性來(lái)提升測(cè)量的精確性。這也對(duì)升壓芯片負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能提出了要求。
因?yàn)橹挥性跈z測(cè)時(shí)血氧儀才會(huì)開(kāi)始工作，大多時(shí)候系統(tǒng)都是關(guān)斷的，所以boost的關(guān)斷電流對(duì)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(hù)延長(zhǎng)使用時(shí)間。由于整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)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(shí)，可以充分利用電池的電量，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用時(shí)間。
為了給客戶(hù)帶來(lái)較好的用戶(hù)體驗(yàn)，輕載高效、低關(guān)斷電流、快速響應(yīng)、低成本也是客戶(hù)主要關(guān)心的特性。
2 TI boost解決方案
針對(duì)如上設(shè)計(jì)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(gè)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(lái)保證系統(tǒng)高效的工作。在輕載下可以進(jìn)入省電模式在整個(gè)條件下保持高效率的條件負(fù)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(lái)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池壽命生活。
● TPS61023具有5.7V輸出過(guò)壓保護(hù)，輸出短路保護(hù)和熱保護(hù)關(guān)機(jī)保護(hù)。
● 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(chǎng)合。
● 在Vin> Vout時(shí)提供了Pass by功能
● 先進(jìn)的封裝和晶圓技術(shù)保證成本上的優(yōu)勢(shì)。
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(jì)者參考。本文根據(jù)該EVM板對(duì)客戶(hù)關(guān)心的芯片效率特性以及負(fù)載響應(yīng)特性進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試：
4.1 輕載高效：
圖 6. 不同輸入下的負(fù)載效率
圖 7. 不同輸出下的負(fù)載效率
當(dāng)輸出在20mA到200mA的場(chǎng)合下，TPS61023的效率可以高達(dá)95%左右，可以極大的提升系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)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(zhǎng)電池的存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)。
4.3 瞬態(tài)響應(yīng)特性
圖9. 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)
系統(tǒng)可以在高達(dá)2500kHz的負(fù)載階躍下具有良好的速度響應(yīng)特性和小于6%的電壓過(guò)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(dòng)口罩，紅外測(cè)溫儀以及血氧濃度儀的高效率升壓芯片。
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