隨著COVID-19在 2020 年初的傳播，全球緊急呼吸機短缺是最大的擔憂之一。對呼吸機不斷增長的需求意味著它們很快就會供不應求，因此 Monolithic Power Systems (MPS) 的一個設計工程師團隊尋求幫助創(chuàng)建解決這一危機的解決方案。

雖然 MPS 不是醫(yī)療設備制造商，但其工程師和設計師在電力電子和電機控制方面經驗豐富。鑒于呼吸機、呼吸器和呼吸機類機器的技術架構，設計團隊利用其專業(yè)知識來幫助對抗全球流行病。

本文將總結開源“緊急呼吸機”的開發(fā)過程，同時展示電源解決方案如何促進此類醫(yī)療系統(tǒng)設計的開發(fā)。

標桿設計

在考慮可以解決即將到來的呼吸機短缺的具體需求時，該團隊轉向了制造商/DIY 社區(qū)。這項搜索導致了由麻省理工學院的技術和醫(yī)療團隊開發(fā)的緊急呼吸機項目 (E-Vent) 。麻省理工學院的 E-Vent 項目是一個開源項目，它為世界各地的團隊提供臨床和設計信息，通過自動手動袋閥面罩 (BVM) 構建自己的緊急使用呼吸機。

“呼吸機”廣泛用于描述提供通風的設備，但重要的是要注意緊急使用的自動 BVM 機器與全功能呼吸機之間的差異。

成熟的呼吸機是復雜的機器。呼吸機不只是迫使空氣進出患者的肺部——它們還控制空氣量、流速、氧氣含量，甚至空氣溫度和濕度。此外，必須監(jiān)控可能危及患者的任何情況，以觸發(fā)適當的警報或糾正措施。

相比之下，自動 BVM，例如 E-Vent 系統(tǒng)，并不是功能齊全的呼吸機。雖然自動化 BVM 提供通風并包括基本級別的安全監(jiān)控，但它們是緊急使用的橋梁設備，可將其他手動過程自動化。

自動 BVM 旨在維持患者直到有呼吸機可用，同時允許醫(yī)務人員同時支持多名患者。這里值得一提的是，BVM 是一種可能帶來醫(yī)療風險的橋接設備，只能在必要時使用。

呼吸機的改進設計

設計團隊遵循麻省理工學院 E-Vent 系統(tǒng)的主要架構，該系統(tǒng)使用基于 Arduino 的微控制器來處理用戶輸入、監(jiān)控關鍵參數并驅動直流電機來擠壓 BVM。然而，它采用 MPS 解決方案通過無縫電池備份來增強電源管理，并通過利用無刷直流 (BLDC) 智能電機改進電機控制。該設計還集成了市售的傳動系統(tǒng)組件，以創(chuàng)建一個緊湊的設備。

· MP2759是一款帶電源路徑管理的開關充電器，集成為 EV2759-Q-01A 評估板的一部分。

· MPM3510A是一款同步降壓轉換器模塊，集成為 EVM3510A-QV-00A 評估板的一部分。

· MP3910A是一款升壓 PWM 控制器，集成為 EV3910A-S-00A 評估板的一部分。

MP2759 是一款高度集成的開關充電器，適用于1-6節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池組串聯供電的應用。它支持具有不同充滿電壓的多種電池類型。MP2759可在最高36V的直流輸入電壓條件下工作。當提供電源輸入時，MP2759 通過4個充電階段為電池充電：涓流電流充電、預充電、恒流充電和恒壓充電。

MP2759具有輸入電流限制和最小輸入電壓限制功能。當輸入電流達到輸入電流限值或輸入電壓降至最小輸入電壓限值時，MP2759自動降低充電電流以限制輸入功率。為保證安全運行，MP2759 提供強大的保護功能，包括：電池過壓保護、電池溫度檢測和保護、過溫關斷和充電安全計時器。

MPM3510A 是一款內置功率 MOSFET、電感和2個電容的同步整流降壓變換器。它提供了非常緊湊的解決方案，僅需4個外部元器件，即可在寬輸入范圍實現 1.2A 的連續(xù)輸出電流，具有極好的負載和線性調整率。MPM3510A工作在1.15MHz的開關頻率上，其1.15MHz的開關頻率提供了快速負載瞬態(tài)響應。全方位的保護包括過流保護(OCP)和過溫關斷保護(TSD)。MPM3510A可顯著提升產品上市時間，同時還能避免設計生產風險。MPM3510A采用節(jié)省空間的 QFN-19 (3mmx5mmx1.6mm) 封裝。

MP3910A 是一款峰值電流控制模式 PWM 控制器，可驅動超過 10A 電流處理能力的外部 MOSFET。它具有 400μA 的典型工作電流，適用于隔離式和非隔離式反激升壓應用。

電流控制模式提供了固有的簡單環(huán)路補償和逐周期限流保護。欠壓鎖定保護、軟啟動功能和斜坡補償，這些功能使其能最大限度地減少外部所需部件。

MP3910A 適用于反激應用，同時也可用于其他拓撲，包括升壓、正激和 SEPIC。1A 柵極驅動器減少了外部 MOSFET 的開關功率損耗，可用于各種標準閾值的設備。此外，MP3910A 具有跳頻模式功能，可提高輕載或空載時的效率。它還提供用于過載、過壓和短路條件下的打嗝保護功能。MP3910A 采用 SOIC8 封裝。