分享 TPS61023为健康保驾护航

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根据电动口罩，红外测温仪以及血氧浓度仪这3个热门应用提出了一种高效率的供电方案。解决方案主要针对1~2节干电池或单节锂电池输入的场景，提供了TI高效率低功耗的升压解决方案。该方案可以提供低至100nA的关断电流，并且具有轻载高效模式，可以延长电池的使用寿命，此外还具有良好的负载响应特性，来提升用户的使用体验。

1.1            电动口罩

口罩作为保护我们呼吸系统的过滤屏障，可有效预防传染病。电动口罩通过内部的风扇吸入外界空气，提升用户长时间佩戴的舒适度，循环换气功能也能让即戴眼镜也佩口罩时镜片起雾问题得到改善。此外，电动口罩还有防护性好以及可以循环使用的优点。

图 1. 电动口罩的组成：

电源轨架构：

为了方便佩戴者的使用，电动口罩大都采用锂电池供电，通过USB口为电池供电，之后通过LDO为MCU提供电能。为了提升马达驱动的效率。需要升压芯片将电压升高到5V左右为马达驱动供电。

信号链架构：

当外部按键给MCU提供电动口罩的开关信号和风力等级后， MCU会输出相应的PWM信号，按照对应的风力等级通过马达驱动使三相无刷直流电机平稳的旋转。

在设计电动口罩时，需要考虑电动口罩的重量，体积以及噪音问题。图2是TI一款三相无刷电机驱动芯片DRV10964，可以看到当马达驱动的供电电压从3.3V提升到5V的时候，马达驱动MOSFET的R_{ds (on)} 降低了1/3左右, 从而降低马达驱动的通态损耗，提升系统的工作效率。

图2. R_{DS (ON)} vs Power Supply at 25°C

因此，一个合适的升压芯片，可以帮助客户提升整体的效率，延长电池的使用时长。稳定的供电电压还会降低电动口罩的噪音问题，提升使用者的佩戴体验。

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1.2            红外测温仪

监测体温对早期预防疾病有很大的作用。红外测温仪可以在不接触人体的情况下测量温度，这有助于缓解接触感染的传播。红外测温仪通过传感器接收人体发出的红外线, 得出感应温度数据。非常适合对流感快速，非接触式的安全排查。

 

图3. 红外测温仪的组成

电源轨部分：

整个系统通过1~2节的AAA电池供电，为了匹配MCU的工作性能，系统需要使用一个低功耗的boost将电压升到一个稳定的值，一般是3.3V，来为MCU，LCD，LED，传感器以及运放供电。通常会有LDO级联在Boost芯片之后用于提升传感器输入信号的质量。如果在人流较多的场合使用，就有长待机需求。此时可以选择加入虚线框类的并联二极管网络，在电池电压较高时采用电池直接给系统供电。当电池电压低于MCU的门限电压时，采用Boost电路为系统供电。从而最大化的延长电池的使用时间。

信号链部分：

用户通过按键来开启红外测温系统的运行。系统通过红外传感器和温度传感器感知被测物的温度，如果使模拟传感器，会经过一级模拟运放将调理完的信号传递到MCU中。如果是数字信号，一般通过I2C将信号传递到MCU中。MCU采集到相应的信号之后，执行相应的算法，将被测物体的温度信息显示到LCD屏幕上，LCD的背光一般采用一个LED灯。如果被测物体的温度高于37℃，蜂鸣器就会进行提示。

红外体温检测仪对设备电池供电的续航提出了要求，因此测温仪的低功耗运行便成为系统设计的关键挑战。为了匹配MCU的工作性能，常见的供电电压为3.3V/5V。LCD屏幕常见的供电电压为3V。

图4是一个典型AAA电池的放电曲线，一般MCU的最低工作电压为2.2V。在两节电池串联供电的场合下， 考虑干电池的内阻为300毫欧时，在50mA的放电电流之下，单节电池在1.25V时已经不能为MCU提供电能。通过电池厂家提供的数据手册可以得到单节电池1.25V时的放电时长为10h，而在0.8V时放电时长可达到22h。相比于电池直接为MCU供电的方式，采用Boost芯片后可以在同样功耗下将系统的运行时间延长大约120%。

图4. AAA电池在21℃的放电曲线（来自Energizer数据手册）

1.3            血氧测试仪

通过检测还原血红蛋白和有氧合血红蛋白，对红光LED(660nm)和红外光LED(910nm)这两种不同波长的光吸收的区别，将检测的数据差作为血氧饱和度最基本的数据。

根据“第四版新型冠状病毒诊疗方案”，静息状态下（没有运动和情绪激动）血氧低于93%（居家建议低于95%），可能有肺部感染，建议即时就医诊治。

图5. 血氧测试仪组成：

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电源轨部分：

系统的输入是1~2节的AAA电池，通过一个低功耗的boost将电压升到一个稳定的值，一般是3.3V，来为MCU，LED传感器，运放以及LCD供电。如果客户对系统的噪声比较敏感，也可在Boost之后级联一个LDO为光电传感器，调理运放以及MCU进行供电。

信号链部分：

系统开机后，发射装置启动，红外光和红光LED交替发光。此时将被测物放在发射装置与接收传感器（多为光电二极管）之间，通过运放将接收到的模拟信号进行滤波与放大。经由ADC进行采集（多集成在MCU内部），最终MCU将处理过的信号输出在小型液晶上。

在血氧测试仪使用中，红外LED的供电电压大概在3.3V左右，所以需要一个升压芯片把2s AAA电池的电压升高到3.3V给红光LED和红外LED交替供电，此时LED驱动电流会有几十Hz到几百Hz的负载瞬变。瞬变过程中需要保证红外发射接收装置信号的稳定性来提升测量的精确性。这也对升压芯片负载瞬态响应性能提出了要求。

因为只有在检测时血氧仪才会开始工作，大多时候系统都是关断的，所以boost的关断电流对系统的总体损耗至关重要。TPS61023 100nA的超低关断电流，可以在很大程度上帮助客户延长使用时间。由于整个系统在运行时电源功耗也比较低，因此PFM的方式也能极大的提升系统的工作效率。

同样，Boost芯片可以在稳定输出电压的同时，可以充分利用电池的电量，从而延长系统的使用时间。

为了给客户带来较好的用户体验，轻载高效、低关断电流、快速响应、低成本也是客户主要关心的特性。

2       TI boost解决方案

针对如上设计要求，TI提供了一款低功耗高效率的升压芯片解决方案。

TPS61023具有如下特性：

•  TPS61023是一个支持0.5 V至5.5 V的同步升压转换器。超低的输入电压可以使电池深度放电。
•  TPS61023具有68mΩ和47 mΩ上下管MOSFET的导通电阻，来保证系统高效的工作。在轻载下可以进入省电模式在整个条件下保持高效率的条件负载电流范围。
•  TPS61023具有100nA的关断电流，适用于不总是在线的应用来实现更长的电池寿命生活。
•  TPS61023具有5.7V输出过压保护，输出短路保护和热保护关机保护。
•  TPS61023提供了非常小的尺寸1.2mm×1.6mm SOT563（DRL）具有最少的外部组件数量。封装有利于工业场合。
•  在Vin> Vout时提供了Pass by功能
•  先进的封装和晶圆技术保证成本上的优势。

3       TPS61023系统介绍：

TI的官网提供了TPS61023EVM-052 Evaluation module user's guide供设计者参考。本文根据该EVM板对客户关心的芯片效率特性以及负载响应特性进行了相关测试：

4.1 轻载高效：

图 6. 不同输入下的负载效率	Figure 7. 不同输出下的负载效率

当输出在20mA到200mA的场合下，TPS61023的效率可以高达95%左右，可以极大的提升系统在运行时的效率。

4.2 关断电流特性

图 8. 关断电流 vs 温度

系统的关断电流在常温下低至100nA，从而极大的延长电池的存储时长。

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4.3 瞬态响应特性

图9. 负载瞬态响应

系统可以在高达2500kHz的负载阶跃下具有良好的速度响应特性和小于6%的电压过充。

根据TPS61023的特性以及相关波形，可以发现TPS61023是一款非常适合用于电动口罩，红外测温仪以及血氧浓度仪的高效率升压芯片。