幫助COVID-19重癥患者維持呼吸的呼吸機

COVID-19住院人數(shù)的迅速增加給全球呼吸機庫存造成了前所未有的壓力。我司安森美半導(dǎo)體及業(yè)務(wù)被美國國土安全部視為必不可少的重要的基礎(chǔ)設(shè)施，因為我司是半導(dǎo)體器件供應(yīng)商之一，而半導(dǎo)體器件是醫(yī)療設(shè)備制造商供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵器件。

我司的產(chǎn)品用于各種醫(yī)療設(shè)備，包括幫助COVID-19重癥患者維持呼吸的呼吸機。

如果患者不能自行呼吸，呼吸機會使空氣進出肺部，應(yīng)用或用例可能相當(dāng)廣泛。通常，這機器會推動加濕和加熱的空氣及補充的氧氣進入肺部。這設(shè)備用于重癥監(jiān)護室、急診室、救護車（即急救情況）和家中。

醫(yī)療呼吸機方案框圖

隔離電源: PFC級

電網(wǎng)電壓由橋式整流器GBU8K（800V，8A，200A過載峰值）進行整流。
功率因數(shù)校正(PFC)控制器NCP1654控制隔離電源單元的PFC升壓級。它控制功率N-MOSFETFCPF250N65S3R0L（650V，12A，250mΩ）。
二極管MSR860G（600V，8A）也用于PFC升壓。
NCP1654的輔助電源由NCP1399的專用輸出供電（LLC級）。

隔離電源-諧振半橋LLC轉(zhuǎn)換級

主控制器NCP1399驅(qū)動高邊和低邊N-MOSFET FCD260N65S3（650V，12 A，260mΩ）。它采用專用輸出以驅(qū)動PFC控制器。此特性結(jié)合專有的跳周期模式技術(shù)，進一步提升輕載能效。NCP1399提供一系列保護功能，可確保任何應(yīng)用的安全操作。這包括過載保護、過流保護，以防止硬開關(guān)周期、欠壓檢測、光耦合器開路檢測、自動死區(qū)時間調(diào)整，過壓(OVP)和過溫(OTP)保護。 同步整流控制器NCP4306用于半橋轉(zhuǎn)換器次級端整流；它驅(qū)動N-MOSFET FQP55N10(100C，55A，26mΩ，TO-220)或NTMFS6H848NL(80 V，59 A，8.8mΩ，SO-8FL/ DFN-5封裝）。 從次級端到半橋控制器對NCP1399的響應(yīng)由兩個光耦合器FOD8717或FODM1008完成。

電源管理

兩個LM2576降壓轉(zhuǎn)換器用于降低LLC級的輸入電壓。接下來是兩個電源管理集成電路。NCV97310是三個輸出穩(wěn)壓器，含一個低Iq的電池連接的3A 、2MHz非同步開關(guān)和兩個低壓1.5A 2MHz同步開關(guān)；全部使用集成功率晶體管。高壓開關(guān)能夠以恒定的2MHz開關(guān)頻率將4.1V至18V的電池輸入轉(zhuǎn)換為5V或3.3V的輸出，可提供高達3A的電流。NCP6922C在4x4 mm20引腳WQFN封裝中集成兩個高能效、帶動態(tài)電壓縮放(DVS)的800 mA降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和兩個低壓降(LDO)穩(wěn)壓器。

電池管理

開關(guān)電池充電器模塊設(shè)計用于2-3-4電池單元應(yīng)用。 NCP1871器件基于一個完整的NMOS DC-DC控制器構(gòu)建，把高壓充電器適配器電壓降低到與電池組電壓在相同范圍的穩(wěn)壓系統(tǒng)電源。這限制了系統(tǒng)供電電壓變化并提高了核心轉(zhuǎn)換器的能效。 該器件含壓降監(jiān)測、充電器適配器驗證和模塊以及智能電池連接控制。密切監(jiān)控適配器電流、充電電流和系統(tǒng)電流，并提供圖像給主機處理器?？山?jīng)由一個I2C或系統(tǒng)管理總線接口編程。

微控制器(MCU)和處理

對于MCU管理方案，我們可提供標準邏輯器件–可編程時鐘FS7140用于時鐘分配。另外，我們的電壓監(jiān)控器NCP308用于監(jiān)測CPU的輸入電壓電平（支持手冊–外部重置）。此外，我們可以提供FAN3852麥克風(fēng)上的語音指令輸入所需的器件到數(shù)字前置放大器。對于器件反饋我們可以提供音頻放大器NCP2820。LC823455是成熟的音頻處理器，帶有雙ARMcortex M3和32位數(shù)字信號處理(DSP)。經(jīng)驗證，LC823455是采用Sensory算法（需授權(quán)，包括觸發(fā)短語和多達75個命令）的語音用戶接口（VUI）。LC823455還支持多達4個麥克風(fēng)輸入以及模擬和數(shù)字音頻輸出。 為了處理來自傳感器的輸入，我們提供低噪聲運算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器NCD98010。為了控制連接到設(shè)備的可選USB，提供負載開關(guān)FPF1048和ESD8472保護。對于聯(lián)接，我們提供醫(yī)療版本的RSL10藍牙系統(tǒng)單芯片和雙向光耦合器FOD8012A。

LCD顯示和觸摸屏模塊

對于LCD應(yīng)用，我們建議的器件主要用于背光驅(qū)動器和電容觸摸LED驅(qū)動器CAT32。如果設(shè)計人員希望不閃爍地驅(qū)動背光燈，可使用NSI50150線性驅(qū)動器結(jié)合數(shù)字電位計來設(shè)置背光燈強度，使用環(huán)境光傳感器LV0104CS進行外部光靈敏度測量，使用觸摸數(shù)字轉(zhuǎn)換器LC717A10AR來處理觸摸輸入。如果終端應(yīng)用需要顯示輸出，可使用我們的HDMI ESD7104保護來保護數(shù)據(jù)線。

無刷直流(BLDC)驅(qū)動模塊

對于氣泵主要器件BLDC壓縮機的驅(qū)動器，我們可提供LV8968BLDC門極驅(qū)動器，支持經(jīng)由串行外設(shè)接口(SPI)、脈寬調(diào)制(PWM)輸入進行編程，6個門極驅(qū)動器提供400mA門極電流到外部電源橋，因而可使用低阻抗功率FET以及邏輯電平FET。所有FET都有過流、短路、過溫和門極欠壓保護。多種保護和監(jiān)測功能使該器件適合ISO26262應(yīng)用。三個獨立的低邊源極引腳支持多個分流測量。 該器件還包括一個可編程線性穩(wěn)壓器、一個快速電流檢測放大器和一個支持微控制器的窗口看門狗。SPI接口支持實時參數(shù)設(shè)置和診斷。關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)可編程到非易失性一次性可編程(OTP)存儲器中。各種可選的外設(shè)以支持從簡單的無傳感器反電動勢(BEMF)換向到復(fù)雜的磁場定向算法的電機控制。該方案可搭配Arduino DUE板使用。

閥模塊

閥由集成N-FET預(yù)驅(qū)動器NCV7120的十六進制電磁線圈電流控制器控制。每個預(yù)驅(qū)動器通道都含具有抖動調(diào)制功能的可編程PWM電流控制器。它能夠控制電磁線圈的6個低邊N-MOSFET NTMFD5C680NL(3x，60V，26A，28mΩ)。為提高安全性和保護，該芯片集成3個高邊預(yù)驅(qū)動器。 內(nèi)部裝有電荷泵，可驅(qū)動高邊N-MOSFET NTMFS5C442NL(40V，130A，2mΩ)作為反極性保護。為此使用了3個外部二極管HN2D02FUTW1T1G。 兩個MOSFET NTMFS5C468NL(40V，37A，10.3mΩ)用作故障保護。NCV7120經(jīng)由SPI與主MCU通信。3個二極管MURS210T3G用于再循環(huán)。