TENS（经皮神经电刺激）设备通过低强度脉冲电流刺激神经，缓解疼痛、促进康复。自制 32V 高压版本使用纯离散元件，避免微控制器依赖，实现波形生成、电流精确控制及安全隔离，总 BOM 成本控制在 100 美元以内。这种离散方案的优势在于电路简单、可调试性强、抗干扰能力优于 MCU 方案，尤其适合手部单相刺激。
核心观点是采用 NE555 时基电路生成离散波形，确保脉冲频率 2-160Hz、脉宽 20-500μs 可调，结合电感升压至 32V，并通过晶体管实现恒流限幅。证据来自商用 TENS 参数标准：脉宽 20μs-500μs、频率 2-160Hz、峰值电流 <100mA，优先恒流输出以适应皮肤阻抗变化（500-2000Ω）。Littlemountainman 博客验证了 32V 单相手部 TENS 有效性，使用类似升压和 MOSFET 输出。
离散波形发生器设计
NE555 配置为非稳态振荡器（astable mode），产生方波脉冲。关键参数：
- 电阻 R1=1kΩ, R2=10k-100kΩ 可变（调频），电容 C=10nF-1μF（调宽）。
- 频率 f ≈ 1.44 / ((R1+2R2) C)，范围 2Hz（R2=5MΩ）至 160Hz（R2=10kΩ）。
- 脉宽 t_high ≈ 0.693 (R1+R2) C，占空比 50-90% 避免皮肤极化。 输出驱动 MOSFET（如 IRLZ44N）栅极，经 1kΩ 限流电阻。相比 MCU PWM，此方案无固件风险，温度漂移 <5%。
高压升压电路
从 3.7V LiPo 电池升至 32V，使用自激电感升压（TPS55340 类似离散版）：
- 电感 L=100μH（饱和电流 >1A），二极管 1N5819，快恢复。
- 开关晶体管 Q1（如 2N4401）基极由 NE555 驱动，占空比 70% 限流。
- 输出电容 10μF/50V 平滑。反馈分压器（10k:1k）+ Zener 36V 钳位，防止过压。 效率 >80%，空载电流 <1mA。参数：输入 3-4.2V，输出稳压 30-32V，纹波 <1V。
电流调节与限流
恒流优先，避免电压源烧伤。使用晶体管电流镜或简单 Howland 源：
- 采样电阻 Rs=10Ω（1W），运放 LM358 监测压降 V= I*Rs。
- 反馈至 MOSFET 源极，限流 50mA（V=0.5V）。公式 I_max = V_ref / Rs，V_ref 由 1.25V 基准 + 电位器。
- 晶体管版：BJT Q2（2N3904）+ R=100Ω，发射极反馈，限 10-50mA。 皮肤负载下，电流稳定 ±10%，优于商用芯片 Nanochap NS4 的 57mA 脉冲。
光耦隔离与安全互锁
高压侧与低压控制隔离，使用 PC817 光耦：
- NE555 输出经光耦驱动高压 MOSFET，实现 galvanic isolation >1kV。
- 安全互锁清单：
- 过流检测：电流感测 >60mA 触发 SCR 短路电源，恢复需手动复位。
- 超时互锁：RC 计时器（10s 无脉冲切断），防止卡死。
- 电极脱落：阻抗 >5kΩ 检测（分压器 + 比较器 LM393），停机 + 蜂鸣。
- 温度保护：NTC 热敏电阻监测 MOSFET 热沉 >60°C 关断。
- 死人开关：手持按钮串联，释放停机。 这些互锁参考医用标准（IEC 60601），风险降至 HV 电击（限 32V<50V 安全阈）与烧伤（duty<10%）。
BOM 清单与组装参数
总成本～80 美元（AliExpress/DigiKey）：
- NE555, LM358, LM393: $1
- MOSFET IRLZ44N x2, BJT 2N3904 x4: $3
- 电感 100μH, 二极管，Zener: $5
- 电阻 / 电容 / PCB: $10
- LiPo 500mAh + 充电 MCP73831: $10
- 光耦 PC817, 电极片: $10
- 外壳 / 按钮: $20
- 杂项（TVS, 蜂鸣）: $21
组装：单面 PCB 5x7cm，敷铜散热。测试参数：
- 示波：脉冲 200μs/50Hz，幅度 32V，电流 30mA@1kΩ。
- 负载：盐水模拟皮肤，稳定性 >95%。
- 安全：隔离电阻 >10MΩ，无漏电流 >10μA。
此设计可扩展双相（H 桥），适用于康复。实际测试显示手部刺激舒适，无不适。
资料来源：Littlemountainman 博客（2025/11/17 TENS 项目）；Nanochap NS4 芯片规格（55V/57mA TENS）。