無創呼吸機風機驅動電路系統設計

焦楊，鄧科，陳執昌，吳晨曦，袁越陽

湖南城市學院 機電工程學院，益陽市，413000

0 引言

呼吸機作為重要的呼吸支持設備之一，受到廣大醫務人員和呼吸疾病患者的關注，特別是2020年的新型冠狀病毒肺炎（novel coronavirus-2019,COVID-19）的全球性爆發，呼吸機在抗擊疫情、治療感染者方面發揮了重要的作用[1-2]。而在諸多呼吸疾病患者的呼吸支持中，如俗稱“鼾癥”的阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（obstructive sleep apneahypopnoea syndrome,OSAHS）、呼吸衰竭、急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome,ARDS）、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmoriary disease,COPD）等慢性呼吸疾病[3-6]，無創氣道正壓通氣是該類患者首選呼吸支持模式。

無創氣道正壓通氣模式作為目前最為廣泛應用的通氣模式之一[7-9]，其基本原理是提供一個高于大氣壓的壓力給呼吸道，使呼吸道在該壓力的支撐下完全打開，保證呼吸氣流暢通出入于肺部。為此，一個穩定、可控風機驅動系統為呼吸機提供氣流氣壓是呼吸機系統最為關鍵的組成部分。筆者著重于研究設計一款用于無刷直流渦輪風機驅動系統的硬件電路，以滿足無創氣道正壓呼吸機對穩定、可控的氣流源的需求。

1 硬件電路設計

針對無刷直流渦輪風機（倉興達，7054ZWF-2ZP-250A-24.0），硬件電路主要包括無刷直流電機控制專用集成電路MC33035[10]、閉環速度測控集成電路MC33039[11]、3個半橋式MOSFET柵極驅動器IR2013S以及其它外圍電路。MC33035和MC33039聯合組成閉環速度控制系統。渦輪風機線圈U、V、W電流驅動器采用6個N溝道MOS管NTDV20N06L組成三相橋式驅動器。渦輪風機的控制信號經IR2013S傳送到三相橋式驅動器的柵極，并具有將渦輪風機的大電流信號與MC33035控制器隔離的作用。12 V直流電源主要為MC33035、IR2013S提供工作電壓。24 V直流電源主要為風機提供工作電壓。MC33035內部整流并經第8腳輸出6.25 V參考電壓，并直接作為MC33039和風機霍爾傳感器的工作電源。系統電路，如圖1所示。

圖1 渦輪風機系統電路Fig.1 The circuit of turble blower system

三相無刷渦輪風機輸出的相位信號A、B、C分別輸入到MC33039的1腳（QA）、2腳（QB）、3腳（QC）和MC33035的4腳（SA）、5腳（SB）、6腳（SC）。MC33039第6腳Rt/Ct外接R1、C2組成定時單穩態電路。在該單穩態電路作用下，MC33039第5腳Fout輸出的脈頻信號與渦輪風機的相位信號QA、QB、QC、/QA的邏輯狀態關系，如圖2所示。第5腳Fout每輸出一個脈沖信號表示風機轉動角度60o。脈頻信號Fout經電阻R2由電容C5積分產生與渦輪風機轉速成正比的電壓，并輸入到MC33035的第12腳，作為MC33035內部差動放大器的反向輸入EAII。流經三相無刷渦輪風機的電流經電阻R11轉換為電壓并經電阻R12和R13分壓后反饋給MC33035的第9腳CSNI。當CSNI輸入的電壓超過100 mV后，發出風機過流錯誤（D4指示燈點亮）。流經風機的最大電流Imax由式（1）計算約為2 A，滿足風機的最大負載電流的要求，防止過流燒壞風機等引起電路安全事故發生。

圖2 信號Fout、Rt/Ct與信號QA、QB、QC邏輯關系圖Fig.2 The logical diagram of signal Fout,Rt/Ct and signal QA,QB,QC

MC33035的第2腳（AT）、1腳（BT）、24腳（CT）作為頂端驅動輸出，分別接到U3、U4、U5的高端輸入端H-IN。第21腳（AB）、20腳（BB）、19腳（CB）作為底端驅動輸出，分別接到U3、U4、U5的低端輸入端L-IN。鑒于正壓呼吸機輸出氣流總是正向輸出，因而設計第3腳Fwd/Rev通過電阻R3接到參考電壓。第4腳（SA）、5腳（SB）、6腳（SC）直接感應風機相位信號。第7（OE）腳是MC33035輸出使能端，由輸入信號ENABLE通過三極管Q1反向來加以控制。第9腳電流檢測同向輸入端的輸入源于電阻R12和R13構成的分壓信號，由MC33035來監測風機的工作電流。第10腳為R6和C4構成RC震蕩器的震蕩信號輸入。渦輪轉速控制信號CTL經運算器U6B組成的放大電路放大后，從R7輸入到第11腳內部差動放大器的同向輸入端EANI。第12腳為MC33035內部差動放大器的反向輸入EAII。第13腳為渦輪風機閉環控制補償信號輸入。第14腳出錯輸出端Fault out接指示燈LED陰極。第15腳CSII電流檢測反向輸入端接地，為MC33035內部10 mV門限電壓提供參考地。第17腳接電源12 V。第18腳VC通過電阻R9接到12V電壓為底部驅動輸出AB、BB、CB提供電壓。第22腳60/120直接接地，設定風機霍爾傳感器電氣相位為60°輸入角。剎車信號BREAK通過三極管Q2反向輸入到第23腳。

所采用無刷直流渦輪風機最高轉速可達30 000 轉/min，MC33039第5腳Fout輸出的脈沖頻率最高為6 kHz。設定電阻R1為150 kΩ，電容C2為750 pF，此時組成的單穩態電路對電容C2充電、放電時間分別約為260 μs、80 μs。設定R6為5.1 kΩ，C4為0.01 μF，此時MC33035內部震蕩器的震蕩頻率為25 kHz。

由于控制器（如STM32F105XXX）輸出的模擬信號通常都在0～3.3 V范圍之內，為了滿足MC33035第11腳輸入電壓范圍0～6.25 V，設計了由運算放大器U6B組成的信號放大電路。該放大電路對信號放大能力如式(2)所示，將圖1所示電路中電阻R22=6.8 kΩ和R21=7.6 kΩ代入式中得信號放大倍數Gain=1.89。當放大器輸入信號CTL為3.3 V時，其經R7限流后輸出給MC33035第11腳的電壓接近6.25 V。

半橋式驅動器IR2013S 和MOS 管NTDV20N06L構成風機直接驅動電路。IR2013S的第7（H-OUT）、5（L-OUT）輸出腳狀態分別受控于第2（H-IN）、3（L-IN）輸入信號。U3、U4、U5的高端輸出H-OUT和低端輸出L-OUT分別通過一個47 Ω的限流電阻接到MOS管Q3和Q6、Q4和Q7、Q5和Q8的柵極。Q3、Q4、Q5的漏極分別接到Q6、Q7、Q8的源極，并分別接到U3、U4、U5的第6腳VS。

2 實驗與分析

2.1 實驗平臺

將所設計的風機驅動模塊電路嵌入呼吸機系統電路中，建立呼吸機風機的測試平臺。測試平臺由氣流測試儀（RIGEL，英國，VenTest800）、主動模擬肺（ASL5000）、示波器（RIGOL）、呼吸機系統電路板、風機（倉興達，7054ZWF-2ZP-250A-24.0）、呼吸管路、安裝有數據分析軟件的個人電腦組成。呼吸機系統電路的控制芯片采用STM32F105VCT6，利用其內部數模轉換（DAC）并從PA4腳輸出模擬信號的功能，直接將風機轉速控制信號CTL經U6B放大器后輸入到MC33035的第11腳EANI，并通過ENABLE使能MC33035輸出和通過BREAK信號對渦輪風機進行剎車控制。

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 輸入控制電壓對應輸出流量

在分別外接#1氣阻、#2氣阻、#3氣阻和#4氣阻的情況下，風機輸出流量與輸入控制電壓的關系曲線，如圖3所示。在輸入控制信號DAC的電壓小于0.3 V時，風機輸出氣流為0，表明此時風機的啟動輸入電壓為0.3 V。當控制信號DAC大于2.2 V后，風機輸出流量保持在220 L/min，表明此時風機達到最大轉速。當輸入控制信號DAC處于0.3 V～2.2 V之間時，輸出流量與輸入的控制電壓呈線性變化關系。這種線性關系存在，將有利于對渦輪風機輸出氣流的控制。

圖3 風機輸出氣流與控制電壓的關系曲線Fig.3 The diagram of output flow and input control voltage

根據圖4測試結果，輸入控制電壓CTL的范圍在0.3～2.2V之間，經R7輸送到MC33035第11腳的電壓范圍在0.57～4.17 V之間，風機輸出流量范圍在0～220 L/min之間。盡管提高輸入控制電壓CTL至3.3 V，MC33035第11腳的電壓相應也達到6.25 V，但風機輸出流量仍為220 L/min。

2.2.2 剎車氣流響應時間

為了測試控制電路對風機的剎車能力，在輸出最大氣流220 L/min的狀態下，先后令剎車輸入信號BREAK為高電平和低電平（BREAK=1和0），來測試氣流從最大降至最低和從最低升至最高所需時間。其中：剎車后，氣流從最大降至0所需時間為560 ms，降至到最大值的10%和30%時所需時間分別約為250 ms和180 ms；解剎后，氣流從0升至最大所需時間為632 ms，升至到最大值的90%和70%時所需時間分別約為300 ms和80 ms。

根據測試結果，為了提高正壓呼吸機的響應度，將在軟件控制方面需要避免控制風機輸出氣流從0啟動升至最大輸出，或從最大輸出降到0。譬如，通過剎車控制風機輸出的氣流在最大值的10%～90%之間，將能提高呼吸機的響應靈敏度。

3 總結與展望

設計了基于MC33035 和MC33039的無創呼吸機三相無刷渦輪風機的驅動電路，并基于所設計電路進行了輸入-輸出的控制實驗。實現了對氣流的線性控制，并通過0～3.3 V控制電壓輸入控制風機從最小氣流到最大氣流的輸出。并通過實驗，建議在軟件設計控制氣流輸出時，保證風機輸出氣流在最大值的10%～90%之間。

所設計風機驅動電路用于無創呼吸機，將在如下幾個方面具有較好的展望：其所實現的線性氣流控制將有利于簡化通氣控制算法，有利于提高控制靈敏度和呼吸機的人機同步性等性能；直接將MCU自帶的模數轉換（DAC）輸出用于風機控制電壓，并將該電壓線性放大，能拓寬對風機的控制范圍，提高對風機的控制精度，并使風機的輸出氣流范圍最大化。