Загрузка данных

Пашкевич Юла:
Вот визуально переработанное заключение.

---

Итоговое заключение

Архитектура системы питания протеза держится на трёх столпах.

· Точный учёт энергии. Связка BQ40Z50-R2 + MAX17201 следит за каждым миллиампером. Impedance Track считает заряд по внутреннему сопротивлению, а не по напряжению — протез не отключится неожиданно, даже когда батарея постареет.
· Эшелонированная безопасность. Два контура защиты работают независимо. Основной — через SMBus-контроллеры bq24707/bq24715. Резервный — BQ2961, который физически разрывает цепь предохранителем, если напряжение ушло за 4.4 В. Перегрев и возгорание исключены.
· Умное распределение мощности. TPS53681 (PMBus) питает процессор, отключая лишние фазы при простое и экономя заряд. TLE94112EL управляет пальцами — при замыкании в одном канале остальные продолжают работать.

Результат: компактная, холодная и безопасная система, готовая к круглосуточной носке.

Вот обновлённый отчёт без пунктов 8 и 9, с заменой термина «гильза» и упрощёнными формулировками.

---

Система питания бионического протеза: обоснование выбора компонентов

1. Введение и архитектура системы питания

Система питания разрабатывается для надёжной и безопасной работы бионического протеза конечности. Устройство носится на теле человека, поэтому к питанию предъявляются повышенные требования. Протез должен работать от аккумулятора без проводов не менее 12-16 часов активного использования. Категорически недопустим перегрев или вздутие батареи, так как это грозит ожогом. Самопроизвольное включение двигателей тоже исключено — это может привести к травме. Остаток заряда должен определяться с точностью до 1-2%, чтобы протез не отключился неожиданно при подъёме по лестнице. В режиме покоя, когда двигатели не работают, но идёт съём сигналов с мышц, потребление тока должно быть минимальным. Вся электроника должна помещаться в ограниченном объёме корпуса протеза и выдерживать удары при ходьбе.

Микро-вывод. Основные требования — высокая плотность монтажа, несколько уровней защиты и точный контроль расхода энергии. Все компоненты выбираются с расчётом на встроенную защиту и диагностику, чтобы уменьшить число деталей на плате и повысить надёжность.

2. Автономное питание и точный контроль состояния аккумулятора

Простое измерение напряжения на клеммах аккумулятора для протеза не годится. При включении мощного серводвигателя напряжение резко просаживается, и контроллер может ошибочно решить, что батарея села, и выключить протез. Поэтому нужен специальный чип — менеджер батареи.

BQ40Z50-R2 (Texas Instruments) — микросхема управления батареей с алгоритмом Impedance Track. Может работать с одной, двумя, тремя или четырьмя последовательными ячейками Li-Ion или Li-Pol. Считает оставшуюся ёмкость не по напряжению, а по внутреннему сопротивлению аккумулятора. Сама учитывает старение батареи и корректирует прогноз времени работы. Для точного измерения тока требует четырёхпроводного подключения измерительного резистора по схеме Кельвина: две жилы несут силовой ток, две другие только измеряют падение напряжения на резисторе, исключая влияние дорожек платы.

Обоснование. Алгоритм Impedance Track важен тем, что через год-два носки протеза аккумулятор теряет ёмкость, а чип это учитывает и не даёт протезу выключиться раньше времени. Схема Кельвина нужна, чтобы показания тока не плыли при нагреве внутри корпуса.

MAX17201 (Analog Devices) — измеритель заряда для цепей с очень малым потреблением. Сам потребляет меньше 10 микроампер. Алгоритм ModelGauge m5 не накапливает ошибку со временем и не требует калибровки. Для измерения микротоков в спящем режиме шунт увеличивают с 0.01 Ом до 0.1 Ом.

Обоснование. Разделение задач между двумя микросхемами позволяет отключать мощный менеджер батареи в режиме сна и следить за потреблением только через MAX17201. Это экономит заряд.

3. Система зарядки и двухуровневая защита

Зарядка управляется по цифровой шине SMBus. Чип батареи сообщает зарядному устройству точное напряжение на каждой ячейке и температуру. Если корпус протеза нагрелся выше 40 градусов после ходьбы, ток заряда автоматически снижается до остывания.

BQ2961 (Texas Instruments) — дополнительный аппаратный защитник. Если основной контроллер зависнет из-за помех от двигателя и напряжение на ячейке превысит опасный порог (например, 4.4 вольта вместо 4.2), BQ2961 сам пережжёт плавкий предохранитель.

Обоснование. Два уровня защиты нужны потому, что протез — медицинское устройство на теле человека. Второй уровень сработает, даже если процессор полностью откажет. Это гарантирует, что батарея не загорится.

4. Беспроводная зарядка

Разъём для зарядки в протезе — слабое место. Попадание пота или воды окисляет контакты, вызывает ложные срабатывания и выводит электронику из строя. Поэтому применяется индуктивная передача энергии через магнитное поле двух катушек. Одна катушка в протезе, вторая в зарядной подставке. Передача идёт на частотах 110-205 кГц, через зазор до 12 мм.

Приёмная катушка заливается компаундом на стенке аккумуляторного отсека. Обмен данными с зарядкой идёт по той же силовой катушке.

Обоснование. Отказ от разъёма полностью изолирует внутреннюю электронику от влаги и пота, повышая надёжность.

5. Контроллеры заряда с интерфейсом SMBus

Для управления зарядом применяются чипы с цифровой шиной SMBus, через которую процессор задаёт ток и напряжение заряда.

bq24707 (Texas Instruments) — синхронный понижающий контроллер заряда для 1-4 ячеек Li-Ion. Входное напряжение 5-24 В. Точность установки напряжения заряда ±0.5%, тока заряда ±3%. Максимальный ток до 8 А. Встроены мягкий старт и компенсация обратной связи. Есть отдельный компаратор для контроля входного или выходного тока и вывод неисправности IFAULT. Корпус VQFN-20 размером 3.5×3.5 мм.

Обоснование. Точность ±0.5% важна для безопасного заряда батареи, находящейся на теле человека. Через SMBus процессор может уменьшить ток заряда, если внутри корпуса стало жарко. Защита от короткого замыкания ключей и сигнал неисправности повышают отказоустойчивость.

bq24715 (Texas Instruments) — SMBus-контроллер с технологией NVDC-1. Это значит, что система включается сразу при подаче питания, даже если батарея полностью разряжена или вообще отсутствует. Работает с 2-3 ячейками Li-Ion, вход 6-24 В. Через SMBus программируются: напряжение заряда с шагом 16 мВ, ток заряда с шагом 64 мА, минимальное системное напряжение. Есть вывод IOUT для измерения тока от адаптера или тока разряда. Корпус VQFN-20 3.5×3.5 мм.

Обоснование. Технология NVDC-1 даёт мгновенное включение протеза при подключении зарядки, пользователю не нужно ждать. Мелкий шаг установки напряжения (16 мВ) позволяет точно настроить заряд под конкретный аккумулятор.

6. Многофазный ШИМ-контроллер с интерфейсом PMBus

Для питания мощного процессора, который обрабатывает сигналы с мышц и управляет движением, нужен преобразователь с высоким КПД и цифровым управлением.

TPS53681 (Texas Instruments) — двухканальный многофазный понижающий контроллер с шиной PMBus и встроенной памятью. Можно собрать схему до 6+2 или 5+3 фаз. Входное напряжение 4.5-17 В, выходное от 0.25 до 1.52 В либо от 0.5 до 2.8125 В с шагом 5 или 10 мВ. По шине PMBus в реальном времени передаются напряжение, ток, мощность и температура. Выходное напряжение можно менять на лету с заданной скоростью нарастания. При малой нагрузке лишние фазы отключаются для экономии энергии. Корпус QFN 5×5 мм.

Обоснование. Высокий КПД многофазной схемы снижает нагрев в замкнутом объёме корпуса. PMBus даёт процессору полную картину энергопотребления и позволяет менять режимы питания плавно, без скачков тока.

7. Распределение питания между узлами

TLE94112EL (Infineon) — двенадцатиканальный полумостовой драйвер для управления двигателями пальцев. В каждом канале встроена защита от короткого замыкания. Драйвер умеет определять обрыв провода в работающем канале. В спящем режиме потребление очень низкое. Частота ШИМ 80-200 Гц, разрешение 8 бит. Корпус VQFN-48 размером 7×7 мм.

Обоснование. Двенадцать каналов в одном корпусе позволяют одной маленькой платой управлять пятью пальцами. Если в одном пальце произойдёт замыкание, отключится только этот палец, а не весь протез. Диагностика обрыва предупредит о переломе провода в шарнире до того, как палец откажет.

Питание логики и датчиков. Цифровая часть (3.3 В) питается от линейного стабилизатора, встроенного в чип батареи. Усилители сигналов с мышц требуют дополнительного RC-фильтра, чтобы помехи от двигателей не искажали слабый сигнал. Датчики давления, энкодеры и датчики положения питаются от отдельного малошумящего стабилизатора. Связь с телефоном или другим модулем протеза — по Bluetooth Low Energy.

8. Мониторинг тока и защита пользователя

Измерительные резисторы для тока — прецизионные, из сплава с очень низким температурным коэффициентом (менее 50 ppm/°C). Для пальцев, где ток до 2 А, сопротивление 0.05-0.1 Ом. Для коленного модуля, где ток до 10-15 А, сопротивление 0.005-0.01 Ом.

Алгоритм защиты трёхуровневый. Первый уровень — аппаратный в драйвере: при коротком замыкании канал отключается за микросекунды. Второй уровень — программный: процессор постоянно измеряет ток и если усилие при сжатии превышает порог, подаёт команду остановить сжатие или чуть разжать пальцы (имитация рефлекса). Третий уровень — полное отключение питания двигателей, если процессор завис и не отвечает.

Обоснование. Низкий температурный коэффициент резистора гарантирует, что в холод и в жару показания тока будут одинаковыми, и защита не станет слишком чувствительной или слишком грубой. Три уровня защиты исключают ситуацию, когда один отказавший элемент приводит к травме.