MOS管在醫用控溫毯控制系統驅動電路設計中的應用

2020-12-08 臺灣微碧半導體VBsemi
MOS管在醫用控溫毯控制系統驅動電路設

醫用控溫毯的實用意義

在臨床環境下，物理升降溫的治療方法非常常見。物理降溫可用於亞低溫治療法，腦組織受損的患者可依賴亞低溫治療（28~35℃）使腦部在血氧不足的情況下有更高的耐受度；物理升溫可用於手術或康復治療，防止術後併發症或全身麻醉時間過長而出現的體溫過低情況。

傳統物理升降溫常常採用冰袋冷敷、擦拭酒精、電熱毯加熱、熱水袋熱敷等手段來保持患者正常體溫，但都難以控制溫度，且費時費力，又存在漏電或過度加熱致燙傷等風險，而醫用控溫毯的存在大大降低了醫護工作者的工作難度。它通過控制設備內循環液體的溫度，從而調控人體溫度，達到恢復正常體溫的目的。

與國外醫療環境條件相比，國內醫用控溫產品的發展起步相對較晚，所以國產醫用控溫毯和國外同類型產品相比仍存在一定差距，主要體現在安全可靠性能、控溫精度及UI操作界面等方面。

醫用控溫毯控溫原理

市面上大部分醫用控溫毯依賴於壓縮機製冷和加熱管實現升降溫，但其缺點是不夠綠色環保、成本高、所佔空間體積大、噪音困擾及安全隱患大等。2015年 Zhang Guijie設計了一款通過半導體製冷器（Thermo Electric Cooler),TEC）來作為升降溫模塊的醫用控溫毯控制系統，對傳統醫用控溫毯的缺點進行改善。

TEC是利用帕爾貼效應，通過在半導體組成的PN結兩端施加DC電流，將電能轉化為熱能來發熱的。如圖所示，在冷端，電流從N型半導體到P型半導體時會吸熱；而在熱端，電流則在從P型半導體流向N型半導體時放熱。電源正負極對調時，冷熱端也要對調。

【半導體控溫原理圖】

主控系統電路主要元件選擇

【控制系統總體方案】

控制系統分為兩部分，一是主控系統電路，二是驅動電路。下面是主控系統電路中主要元件的選擇。

l TEC半導體製冷器FL-200W-24HC，V=24V，I=12.5Al 中央處理器 STM32F103VET6l 數字隔離器 ADuM1201 /ADuM1200/ADuM1300l 數字溫度傳感器 DS18B20l 高精度人體溫度傳感器 ADT7320l 數字控制模擬電子開關晶片 CD4051l 線性電流傳感器 ACS712-20Al 信號放大器 OP07l 非接觸式讀寫卡晶片 MFRC522l 存儲晶片 AT24C04l 隔離開關電源 NES-15-12l 三端穩定器 LM78L05/AMS1117-3.3l 反向電荷泵晶片 MAX660l 隔離DC-DC電源模塊 VRB1205YMD-6WR2/B0505D-1WR2

驅動電路總體結構

驅動電路主要由H橋模塊電路和繼電器模塊電路構成。

1. H橋模塊電路：將電源24V電壓轉化為可調的輸出電壓傳遞給繼電器模塊，並為隔離端供電，輸出電流給主控系統。

2. 繼電器模塊：將接受的信號實現成相應的動作，達到H橋模塊電路和半導體製冷器之間的通斷效果，對TEC進行雙重保護，提高工作安全性。

【控制輸入總體結構】

H橋模塊驅動電路設計

H橋模塊電路主要由H橋驅動電路、濾波電路、以及其他電路這三個部分構成。其中，H橋驅動電路是整個模塊的核心。

【H橋驅動電路圖】

H橋驅動電路中MOS管的選擇

H橋驅動電路中的功率MOS管可採用VBsemi臺灣微碧品牌的VBE1606，具有6.3mΩ極低的導通電阻，Vds=60V，可耐受175℃的運行溫度，Id=97A(TC=25℃)，參數完全可以滿足驅動本電路中使用的TEC的需求條件。

可供選擇的VBsemi微碧MOS管型號

①VBE1606

②VBL1606

③VBNCB1603

④VBN1603

⑤VBM1606

【可供選擇的VBsemi微碧MOS管型號】

微碧半導體MOS管封裝及應用

微碧半導體企業主要產品的封裝有：SOP-8 、TO-220（F）、TO-263、TO-247、TO-252、TO-251、SOT-23、SOT-223、SOT-89、QFN等系列封裝產線。

微碧部分MOS管產品封裝

廣泛應用於3C數碼、安防設備、測量儀器、廣電教育、家用電器、軍工/航天、可穿戴設備、汽車電子、網絡通信、物聯網IoT、新能源、醫療電子、照明電子、智能家居、電腦主板顯卡、MID\UMPC 、GPS、藍牙耳機、PDVD、車載DVD、汽車音箱、液晶顯示器、移動電源、手機電池（鋰電池保護板）、LED電源等產品。微碧半導體有限公司以飽滿的激情，拼搏務實的幹勁，不斷創新進取，致力於為客戶群體打造出一座高效、便捷、直通、優質的服務橋梁。

參考文獻

[1]張貴傑. 基於STM32的醫用控溫毯控制系統的設計[D].大連理工大學,2015.

[2]寧飛. 車載醫用恆溫控制系統設計[D].哈爾濱理工大學,2014.

[3]黃文廣,孟志平.醫用控溫毯的電磁兼容設計[J].醫療裝備,2013,26(03):1-4.

[4]王懷光,吳定海,陳彥龍,範紅波,張雲強.半導體製冷技術研究綜述[J].四川兵工學報,2012,33(11):132-134+137.

[5]呂強,胡建民,信江波,榮劍英.半導體熱電材料製冷原理及其在醫學上的應用[J].牡丹江醫學院學報,2004(01):58-60.

相關焦點

  • 太陽能LED照明系統優化後各電路中MOS管的應用選擇
    太陽能LED照明系統優化後各電路中MOS管一、太陽能LED照明系統的應用意義在世界各國，對綠色環保能源的需求趨勢都與日俱增，越來越多行業開始重視環保元素在其行業內的發展潛力這一缺點雖然在後來也有許多學者提出了解決方案，但都存在成本過高、結構複雜等問題，難以直接移植入小功率太陽能LED照明系統中應用。
  • 電動自行車無刷直流機控制器中的MOS管選擇應用
    電動自行車控制器的自檢程序會對每個模塊進行檢測，把結果轉換為調速型號，控制功率放大和功率MOS管的導通和關斷，進而驅動無刷直流電機旋轉。2014年，WANG LEI設計出一種基於STM8S903K3的電動執行車控制器，對無刷直流電機的控制採用上管PWM調製，下管恆通的調製方式，具有三擋變速、限速、EABS剎車、過流保護、欠壓保護、電機自動識別、助力、巡航等功能。
  • 大功率LED驅動電源設計中MOS管應用
    大功率LED驅動電源設計中MOS管應用LED的發光原理LED中含有N型半導體和較長的壽命賦予了發光二極體較好的穩定性，使發光二極體被廣泛應用到工業生產中作為指示燈。2、LED作為冷光源，和身為暖光源的傳統白熾燈相比，它所產生的熱量比傳統白熾燈低，進而有更多的電能轉化為了光能，發光效率更高。傳統白熾燈所轉換的光能僅為其所受到的高溫熱輻射的10%左右。
  • USB PD大功率快充移動電源中MOS管的應用方案
    【USB PD快充移動電源結構圖】二、系統電路設計主電路設計參數【可選用的VBsemi微碧MOS管型號】下面是文獻中提到的系統其他部分的電路圖[4]程奔宇.淺析快速充電技術在智慧型手機的應用[J].科技創新與應用,2014(17):33-34.[5]丁成功,王升鴻.可攜式移動電源的研究與設計[J].伺服控制,2013(04):67-69.
  • MOS管與三極體在電路設計中的不同
    深入理解MOSFET規格書/datasheet 導讀： 實際上說電流控制慢，電壓控制快這種理解是不對的。要真正理解得了解雙極電晶體和MOS電晶體的工作方式才能明白。我們在做電路設計中三極體和MOS管做開關用時候有什麼區別工作性質：　　1.三極體用電流控制，MOS管屬於電壓控制.
  • 對MOS管驅動電路一知半解?這裡有你想要知道的一切
    對於這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，且容易**。所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。 　　MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由於**工藝限制產生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，後邊再詳細介紹。
  • MOS管自舉電路工作原理及升壓自舉電路結構圖
    MOS管自舉電路原理：舉個簡單的例子：有一個12V的電路，電路中有一個場效應管需要15V的驅動電壓，這個電壓怎麼弄出來？就是用自舉。通常用一個電容和一個二極體，電容存儲電荷，二極體防止電流倒灌，頻率較高的時候，自舉電路的電壓就是電路輸入的電壓加上電容上的電壓，起到升壓的作用。
  • MOS管在電機控制開關電源中的解決方案
    在電源管理類產品中，開關電源（Switching power supply）憑藉其70%~90%的電源效率，得到了市場的廣泛關注，被市場證明了其具有高效性和節能性。開關電源是一種以半導體功率器件為開關，控制功率管關斷開啟時間的比率來保證穩定輸出直流電壓的電源。在電機控制電路系統中，除了核心主控制電路外，最重要的就是開關電源電路了。
  • 手機無線充電器功放電路中MOS管的解決方案
    手機無線充電系統參數及電路原理圖2019年，You Qin Hua設計了一種基於磁共振的手機無線充電器，並提出了提高無線充電傳輸效率的有效方法。【手機無線充電系統總體設計參數】整體電路硬體主要設計參數直流電源電壓12V
  • 三極體和MOS管的區別
    三極體比較便宜，用起來方便，常用在數字電路開關控制。 MOS管用於高頻高速電路，大電流場合，以及對基極或漏極控制電流比較敏感的地方。 MOS管不僅可以做開關電路，也可以做模擬放大，因為柵極電壓在一定範圍內的變化會引起源漏間導通電阻的變化。
  • 汽車照明LED驅動電源中MOS管解決方案
    汽車照明LED驅動電源中MOS管解決方案汽車LED照明LED作為汽車照明電子的應用主流在LED照明的日常使用環境下，LED的壽命一般在100,000小時以上，而作為濾波電容的電解電容的壽命卻不超過5,000小時，兩者壽命差距極大，使整個系統的使用壽命受到影響而大幅縮短，所以為了提高LED驅動電源的可靠性和延長使用壽命，減少電解電容在LED驅動電源電路中的使用，這對改進LED照明產品具有重要意義。
  • IGBT驅動電路的應用設計詳解
    IGBT驅動電路的應用設計　　隔離驅動產品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅動信號和被驅動的絕緣柵，採用厚膜或PCB工藝支撐，部分阻容元件由引腳接入。這種產品主要用於IGBT的驅動，因IGBT具有電流拖尾效應，所以光耦驅動器無一例外都是負壓關斷。
  • 基於數字D類音頻功放的音頻設備中MOS管的解決方案
    【MOS管驅動電路】MOS管的驅動電路採用IR2181S驅動晶片，可以實現只用兩顆晶片即可驅動全橋電路，同時，晶片也兼具電磁隔離和光耦隔離的優點。【H橋功率輸出電路，低通濾波電路】系統中使用了4階LC低通濾波器，它加速高頻信號的衰減，提高D類功放器的功放效率，其中的電容採用無感電容，電感採用工形屏蔽電感，降低了電磁幹擾（EMI
  • (8月)PFC電路MOS管應用電路振蕩問題分析
    因此，MOS管的應用及匹配在開關電源中就顯得尤為重要。本文介紹了傳統PFC電路MOS管在應用過程中產生振蕩的機理，通過具體的案例分析了因MOS振蕩引起損壞的各種原因。圖1 PFC電路原理圖1   PFC電路工作原理PFC(功率因數校正)主要是對輸入電流波形進行控制
  • 電動車自適應無刷直流電機控制器中MOS管應用選擇解決方案
    在電動車的發展過程中，控制器、無刷直流電動機、蓄電池一直都是制約著電動車發展的重點因素。控制器是電動車電氣系統的核心，其中最重要的就是無刷直流電機的控制系統。而無刷直流電動機以其功耗低、換向可靠、體積小、重量輕、輸出扭矩大、調速性能佳等優點，在工業控制、醫療器械、家用電器、電動車領域有廣闊的應用前景。
  • 無輔助繞組的原邊控制LED恆流驅動電路設計
    近年來，各大晶片廠商陸續推出用於LED驅動的反激式拓撲的原邊控制(Primary Side Regulation，PSR)晶片，省去了變壓器副邊用於反饋的光耦，體積縮小，成本降低[2]，從而使得反激式電路在LED驅動領域的應用範圍大大增加。文獻[3]介紹了一種傳統的原邊控制反激式LED恆流驅動器，其中變壓器具有三個繞組，分別為原邊繞組、副邊繞組和輔助繞組。
  • 功率MOS管燒毀的原因(米勒效應)
    mos在控制器電路中的工作狀態：開通過程（由截止到導通的過渡過程）、導通狀態、關斷過程（由導通到截止的過渡過程）、截止狀態。只要把這些損耗控制在mos承受規格之內，mos即會正常工作，超出承受範圍，即發生損壞。而開關損耗往往大於導通狀態損耗，不同mos這個差距可能很大。
  • 大尺寸數碼管的動態驅動和保護電路設計
    其結構特性要求驅動電路提供較高的電壓和電流，可用動態和靜態方式驅動。筆者設計的「廣電播控機房大尺寸綜合顯示器」就是用動態驅動大尺寸數碼管的方式實現的，本文給出的都是實際使用的電路。　　1 大尺寸數碼管特性
  • MOS管驅動原理圖
    下圖為MOS驅動電路的電路圖。驅動電路採用Totem輸出結構設計，上拉驅動管為NMOS管N4、電晶體Q1 和PMOS管P5。下拉驅動管為NMOS管N5。圖中CL為負載電容，Cpar為B點的寄生電容。虛線框內的電路為自舉升壓電路。
  • 功率mos管工作原理與幾種常見驅動電路圖
    圖7(b)所示驅動電路開關速度很快，驅動能力強，為防止兩個MOSFET管直通，通常串接一個0.5～1Ω小電阻用於限流，該電路適用於不要求隔離的中功率開關設備。這兩種電路特點是結構簡單。　　　　當V1導通時，V2關斷，兩個MOSFET中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關斷，下管導通，則被驅動的功率管關斷;反之V1關斷時，V2導通，上管導通，下管關斷，使驅動的管子導通。