[分享] 加速电动口罩的设计

与一次性或N95口罩相比，佩戴电动口罩（也称为E口罩或数字口罩）可提高舒适度。电动口罩类似新风系统：内部有一个风扇吸入外界空气，而外界空气会经过过滤芯过滤后进入内部，用来解决长时间佩戴口罩的憋闷问题。同时，循环换气功能也能让即使戴眼镜也佩口罩时镜片起雾问题得到改善。

表1 不同形式的口罩

表1：一次性口罩、N95口罩和电动口罩对比

TI针对电动口罩市场，提供了一整套完整的解决方案。常见电动口罩的系统框图如图1所示。

图1：电动口罩系统框图

锂离子电池充电解决方案

电动口罩通常采用充电的单串小型锂离子（Li-ion）电池供电，通过USB接口对电池进行充电。针对此类系统配置，TI提供了高精度专用充电管理芯片BQ24040，典型应用框图如图2所示。

图2：BQ24040的典型应用框图

BQ24040是一款高度集成的、专为小空间可携带产品而设计的高精度大电流充电管理芯片。高达30V的输入电压范围使得电池不但可通过USB进行充电，还可以通过各种低成本的适配器对其安全充电而不会损坏。优异的性能使其广泛应用在智能手表、手环、蓝牙耳机、电动口罩等产品中。

BQ24040 提供：

• 最大1A充电电流可满足用户快速进行充电。
• 低至10 mA的精确充电电流控制。
• 全温度范围内高达1％的充电电压精度可显著延长电池寿命。
• 集成电池温度监测功能。
• 全面安全防护性能。
• 封装小至2 mm* 2 mm。

如果需要I²C-可编程锂离子充电器，考虑使用如图3所示的BQ21061。

图3：BQ21061框图

BQ21061是一款高度可编程的电池管理设备。其集成了用于单节锂离子电池的500 mA线性充电器——一种可配置为负载开关和按钮的通用低压降稳压器（LDO）控制器。通过I²C接口，主机可更改诸如电池调节电压和充电电流等充电参数，并获取详细的器件状态和故障信息。通过按钮控制器，无需主机干预即可重置系统，如电池调节电压和充电电流，并将器件从出厂模式激活。BQ21061的10-nA运送模式可延长电池寿命并支持立即使用电池。

电池保护方案

锂离子电池的不当使用会产生爆炸等安全风险，锂离子电池的保护对产品的安全性能有着至关重要的作用。针对单串低电压锂离子电池，TI推出了BQ2970低成本专用保护芯片。其提供提供针对锂离子/锂聚合物电池的保护功能，并且监控外部功率MOSFET，以便在高充放电电流时提供保护，包括过充保护、过放保护、充放电过流保护、短路检测。在正常模式运行中消耗的电流只有4µA，减少了电池的电量消耗。尺寸只有1.5mm*1.5mm*0.75mm，有利于减小电池包的体积。BQ2970的典型应用框图如图4所示。

图4：BQ2970参考原理图

BLDC风扇电机驱动

电动口罩的良好透气性源于其内部的循环风扇。一款高效静音的直流无刷风扇电机驱动将直接影响产品的用户体验。如图5所示的DRV10964是一款内部集成功率MOSFET的三相无传感器电机驱动器。它是专为高效率、低噪音和外围器件少的电机驱动应用而设计的。专有无传感器180度正弦控制方案提供超静音的电机驱动性能。

为确保安全运行，包含智能锁检测功能，结合其他内部保护电路。DRV10964采用采用热效率高的10针USON封装，带有外露的热垫。

图5：DRV10964参考原理图

DRV10964提供：

• 无霍尔传感器的180度三相正弦波驱动，最大支持500mA持续工作电流。
• 全面的保护功能：堵转、过流、过压、欠压、过热等。
• 超低静态电流，低至15 µA。
• 封装小至3 mm * 3 mm。

MCU主控方案

MSP430FR211x系列是TI针对超低功耗、低成本的 MSP430™微控制器（MCU）推出的具有强大功能的 16 位 RISC CPU，提供2KB~3.75KB的 FRAM 和1KB的SRAM。FRAM技术将低能耗的快速写入、RAM的灵活性和耐用性与Flash的非易失性性能结合，使系统工程师能够在降低功耗的同时提高性能。

这些器件集成了集成了6位DAC和8通道10位ADC、一个16位定时器、一个16位RTC计数器、一个支持UART/IrDA/SPI的增强型串行通信接口，具有12个GPIO口。封装选项包括TSSOP16和QFN24(3*3mm)，使之极适合应用于便携式设备。 

图6：MSP430FR211x的内部资源

电源轨方案

系统可能需要用于MCU或电机的不同电源轨给MCU供电，LDO可将电池电源转换为3.3 V。TPS7A03和TPS7A02为其提供了高性能，静态电流分别低至200 nA和25 nA。

如果电机需要5 V或更高的电压才能运行，则可能需要升压转换器为电机供电。TPS61023是一款具有0.5V超低输入电压的同步升压转换器。本器件为便携式设备和由各类电池和超级电容器供电的智能设备提供了电源解决方案。单节锂离子电池可支持7.5W（5V/1.5A），效率为92％。而TPS61023的关断电流约为100nA，这对于不经常打开的应用很有用，并可能会延长电池运行时间。TPS61023的输入电压范围为0.5 V至5.5 V，支持超级电容后备电源应用，而且可能会对超级电容进行深度放电。