带有备用电池的开源紧急呼吸机设计第一部分

随着COVID-19在 2020 年初的传播，全球紧急呼吸机短缺是最大的担忧之一。对呼吸机不断增长的需求意味着它们很快就会供不应求，因此 Monolithic Power Systems (MPS) 的一个设计工程师团队寻求帮助创建解决这一危机的解决方案。

虽然 MPS 不是医疗设备制造商，但其工程师和设计师在电力电子和电机控制方面经验丰富。鉴于呼吸机、呼吸器和呼吸机类机器的技术架构，设计团队利用其专业知识来帮助对抗全球流行病。

本文将总结开源“紧急呼吸机”的开发过程，同时展示电源解决方案如何促进此类医疗系统设计的开发。

标杆设计

在考虑可以解决即将到来的呼吸机短缺的具体需求时，该团队转向了制造商/DIY 社区。这项搜索导致了由麻省理工学院的技术和医疗团队开发的紧急呼吸机项目 (E-Vent) 。麻省理工学院的 E-Vent 项目是一个开源项目，它为世界各地的团队提供临床和设计信息，通过自动手动袋阀面罩 (BVM) 构建自己的紧急使用呼吸机。

“呼吸机”广泛用于描述提供通风的设备，但重要的是要注意紧急使用的自动 BVM 机器与全功能呼吸机之间的差异。

成熟的呼吸机是复杂的机器。呼吸机不只是迫使空气进出患者的肺部——它们还控制空气量、流速、氧气含量，甚至空气温度和湿度。此外，必须监控可能危及患者的任何情况，以触发适当的警报或纠正措施。

相比之下，自动 BVM，例如 E-Vent 系统，并不是功能齐全的呼吸机。虽然自动化 BVM 提供通风并包括基本级别的安全监控，但它们是紧急使用的桥梁设备，可将其他手动过程自动化。

自动 BVM 旨在维持患者直到有呼吸机可用，同时允许医务人员同时支持多名患者。这里值得一提的是，BVM 是一种可能带来医疗风险的桥接设备，只能在必要时使用。

呼吸机的改进设计

设计团队遵循麻省理工学院 E-Vent 系统的主要架构，该系统使用基于 Arduino 的微控制器来处理用户输入、监控关键参数并驱动直流电机来挤压 BVM。然而，它采用 MPS 解决方案通过无缝电池备份来增强电源管理，并通过利用无刷直流 (BLDC) 智能电机改进电机控制。该设计还集成了市售的传动系统组件，以创建一个紧凑的设备。

· MP2759是一款带电源路径管理的开关充电器，集成为 EV2759-Q-01A 评估板的一部分。

· MPM3510A是一款同步降压转换器模块，集成为 EVM3510A-QV-00A 评估板的一部分。

· MP3910A是一款升压 PWM 控制器，集成为 EV3910A-S-00A 评估板的一部分。

MP2759 是一款高度集成的开关充电器，适用于1-6节锂离子或锂聚合物电池组串联供电的应用。它支持具有不同充满电压的多种电池类型。MP2759可在最高36V的直流输入电压条件下工作。当提供电源输入时，MP2759 通过4个充电阶段为电池充电：涓流电流充电、预充电、恒流充电和恒压充电。

MP2759具有输入电流限制和最小输入电压限制功能。当输入电流达到输入电流限值或输入电压降至最小输入电压限值时，MP2759自动降低充电电流以限制输入功率。为保证安全运行，MP2759 提供强大的保护功能，包括：电池过压保护、电池温度检测和保护、过温关断和充电安全计时器。

MPM3510A 是一款内置功率 MOSFET、电感和2个电容的同步整流降压变换器。它提供了非常紧凑的解决方案，仅需4个外部元器件，即可在宽输入范围实现 1.2A 的连续输出电流，具有极好的负载和线性调整率。MPM3510A工作在1.15MHz的开关频率上，其1.15MHz的开关频率提供了快速负载瞬态响应。全方位的保护包括过流保护(OCP)和过温关断保护(TSD)。MPM3510A可显著提升产品上市时间，同时还能避免设计生产风险。MPM3510A采用节省空间的 QFN-19 (3mmx5mmx1.6mm) 封装。

MP3910A 是一款峰值电流控制模式 PWM 控制器，可驱动超过 10A 电流处理能力的外部 MOSFET。它具有 400µA 的典型工作电流，适用于隔离式和非隔离式反激升压应用。

电流控制模式提供了固有的简单环路补偿和逐周期限流保护。欠压锁定保护、软启动功能和斜坡补偿，这些功能使其能最大限度地减少外部所需部件。

MP3910A 适用于反激应用，同时也可用于其他拓扑，包括升压、正激和 SEPIC。1A 栅极驱动器减少了外部 MOSFET 的开关功率损耗，可用于各种标准阈值的设备。此外，MP3910A 具有跳频模式功能，可提高轻载或空载时的效率。它还提供用于过载、过压和短路条件下的打嗝保护功能。MP3910A 采用 SOIC8 封装。