專利名稱：用于生物植入體的可控高效能無線供能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體來說，是一種用于生物 植入體的可控高效能無線供能裝置。
技術(shù)背景目前科學(xué)家們研發(fā)出越來越多的生物醫(yī)學(xué)裝置，可以幫助各類有身體器官缺 陷的患者，如人工耳蝸，人工心臟，人工視覺假體等，這些裝置都有一個(gè)共同點(diǎn)， 就是它們都植入在患者體內(nèi)，對這些裝置的能量驅(qū)動(dòng)，早先采用電池內(nèi)置或者將 電線引入體內(nèi)的方法，但容易造成電池電量突然耗竭或身體傷口感染的危險(xiǎn)，給 患者帶來很大困擾。因此，電能的無接觸傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并越來越多地被人們關(guān)注，因?yàn)闊o 接觸傳輸技術(shù)不需電線，避免了諸多如水，熱，化學(xué)腐蝕等不利環(huán)境因素的影響， 國外己將這一技術(shù)應(yīng)用到許多方面，如在工業(yè)應(yīng)用及高要求的生活用品應(yīng)用中， 其中，醫(yī)學(xué)植入式裝置在電能的安全傳輸方面則提出了更為迫切的要求。目前的 無接觸傳輸方式，主要采用電磁感應(yīng)的原理，采用初次級(jí)線圈耦合的方式進(jìn)行電 能傳輸，只將接收電路植入患者體內(nèi)，便攜式地?cái)y帶一個(gè)電能發(fā)生裝置，可放在 口袋里，別于腰間，或者像帽子般戴在頭上，就可以通過線圈耦合感應(yīng)安全地給 體內(nèi)的裝置提供能量。同時(shí)，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的特殊性也給無線電能傳輸技術(shù)在安 全性，可靠性，體積方面提出了更高的要求。經(jīng)由現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院阮三元 《基于MSP430的可充電腦起搏器設(shè)計(jì)》(《電子技術(shù)應(yīng)用》2005年31巻7期) 一文中，在體外無線供能部分采用了單端反激變換器，用以將直流電能轉(zhuǎn)換成為 交流電能，通過線圈耦合向顱內(nèi)供能，具有一定的效率及可操作性。單端反激變 換器以UC3842電流型脈寬調(diào)制器進(jìn)行控制，UC3842芯片是一種單端隔離式電流 型脈寬調(diào)制集成電路，其外接元件少，外圍電路簡單，價(jià)格便宜，最高工作頻率 可達(dá)500kHz，可作為電流型脈寬調(diào)制器，但其輸入電壓較大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于生物植入體的可控高效能無線供 能裝置，使其在成本及電路復(fù)雜程度基本不變的前提下，在傳輸頻率，可控性及 能量傳輸效率方面均大大改善了現(xiàn)有技術(shù)水平，降低了能量傳輸損耗及傳輸相同 能量所需的時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)生物植入物的體外無線供能提供了可能。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括四個(gè)模塊單片機(jī)控制模塊、 電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊、線圈耦合傳輸模塊、體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊。其中所述單片 機(jī)控制模塊產(chǎn)生P麗波控制電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊的輸出頻率及效率；所述的電壓 轉(zhuǎn)換及放大模塊主要由Class-E功率放大電路搭建而成，Class-E放大電路由單 片機(jī)控制模塊產(chǎn)生的PWM波作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接收3-5V的直流電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換 并放大成交流電輸出給線圈耦合傳輸模塊；所述線圈耦合傳輸模塊將輸入的交流 電，通過無線電能感應(yīng)由體外到體內(nèi)的體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊；所述體內(nèi)整流穩(wěn)壓模 塊以線圈耦合傳輸模塊感應(yīng)得到的交流電為輸入，將交流電通過整流，濾波，穩(wěn) 壓至穩(wěn)定的3.3V直流電，為植入體內(nèi)的醫(yī)學(xué)儀器供能。所述的單片機(jī)控制模塊，為整個(gè)無線功能系統(tǒng)的起始部分，由單片微型控制 器(MCU)及其周邊支持電路組成，MCU通過在線編程工具燒錄匯編語言程序控 制P麗模塊寄存器，P麗波在第9腳(P3.5)和第十腳(GND)間輸出，輸出幅 度為3. 3V(pk-pk)，占空比50%，頻率在1. 8MHz和100KHz之間，所輸出的方波 脈沖作為Class-E放大電路的輸入信號(hào)，控制無線供能系統(tǒng)的頻率和波形。所述的Class-E放大電路接收單片機(jī)控制模塊發(fā)出的P麗波控制信號(hào)，其頻 率即為ClassE放大電路轉(zhuǎn)換的交流電的頻率。Class-E放大電路將開關(guān)信號(hào)送 入放大晶體管以控制電路開閉，從而對后續(xù)電路產(chǎn)生諧振，經(jīng)一級(jí)電容器濾波， 再由二級(jí)的電容器與初級(jí)線圈串聯(lián)構(gòu)成的諧振電路進(jìn)行諧振放大，將輸入的直流 電壓轉(zhuǎn)化為交流電由線圈耦合傳輸模塊的初級(jí)線圈輸出。Class-E放大電路主要 由單片機(jī)控制模塊產(chǎn)生的P麗波充當(dāng)放大晶體管的開關(guān)，在后面的諧振電路中提 供合適的振蕩頻率，當(dāng)頻率與二級(jí)電容及線圈耦合傳輸模塊的線圈的電路的固有 頻率匹配時(shí)，將直流電轉(zhuǎn)化成為交流電的效率最高。所述的線圈耦合傳輸模塊，由初級(jí)及次級(jí)兩巻線圈組成。線圈由漆包銅線進(jìn) 行纏繞，共軸放置，線圈形狀可有多種選擇。體外的初級(jí)線圈接收電壓轉(zhuǎn)換級(jí)放大模塊轉(zhuǎn)換放大成的交流電，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在體內(nèi)的次級(jí)線圈上產(chǎn)生感應(yīng) 交流電，為體內(nèi)的裝置供電，即實(shí)現(xiàn)電能由體外到體內(nèi)的無線傳輸，兩級(jí)線圈的 匝數(shù)比以及纏繞半徑均對電壓的無線傳送產(chǎn)生影響。線圈體積小，尤其是體內(nèi)的 次級(jí)線圈部分，為植入人體提供方便。線圈可分為有鐵芯與無鐵芯兩種，兩級(jí)線 圈距離越近傳輸效率越高。初級(jí)線圈的電感值直接影響Class-E放大電路的諧振頻率。所述的體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊，包括整流橋，濾波電容及三端穩(wěn)壓管，次級(jí)線圈 感應(yīng)的交流電通過整流橋的全波橋式整流將正弦信號(hào)翻轉(zhuǎn)在同一方向上，通過并 聯(lián)濾波電容的充放電將正弦波形調(diào)制成近似的直流波形，再通過三端穩(wěn)壓管進(jìn)一 步調(diào)整，消除上級(jí)電能傳輸中可能產(chǎn)生的如電壓波動(dòng)等的不穩(wěn)定因素，把調(diào)制后 的直流電穩(wěn)定在適合體內(nèi)裝置工作3. 3V輸出，為下級(jí)設(shè)備供能。本發(fā)明采用MCU提供頻率信號(hào)，與UC3842成本相當(dāng)，外圍只需接入無源晶 振，輸入電壓僅為3.3V，可調(diào)頻率卻可達(dá)到1.8MHz，大大縮短了傳輸相同能量 所需的時(shí)間，在傳輸頻率及可控性方面比現(xiàn)有技術(shù)有了進(jìn)一步改進(jìn)。電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊中，本發(fā)明采用了 Class-E功率放大電路，以替代單端 反激電路。Class-E放大電路具有電路元件簡單，數(shù)量小，可集成的特點(diǎn)，總共 只需4-5個(gè)元件，均容易獲得。同時(shí)，Class-E放大電路可承受的工作頻率最高 可達(dá)10M以上，相比背景技術(shù)文章中的108KHz而言，可調(diào)節(jié)范圍大，為操作帶 來方便。傳輸效率方面，《基于MSP430的可充電腦起搏器設(shè)計(jì)》 一文中提到，在電源 電壓為30V、開關(guān)頻率為108kHz，線圈中心同軸，間距20mm條件下，次級(jí)線圈 最高僅可得到25raA的電流。本發(fā)明，相比上文中對線圈間距需20mm以及30V 的直流電源輸入的要求，由Class-E放大電路將直流電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在電路參數(shù) 均調(diào)節(jié)匹配的情況下，本發(fā)明只需5V左右的直流電壓，次級(jí)線圈即可獲得幅值 5V以上的交流電壓，足以推動(dòng)后續(xù)整流電路的工作。在兩級(jí)線圈間傳輸效率最 高可達(dá)到90%，遠(yuǎn)高于上文中提到的轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明相對傳統(tǒng)供能裝置的優(yōu)勢在于l.工作頻率在lMHz左右，傳輸速度快，效率高，避免低頻交流電對人體長 時(shí)間充電帶來的影響。2. 由MCU進(jìn)行頻率控制，可任意調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率，使之與Class-E放大 電路以及兩級(jí)線圈間獲得諧振，從而獲得電壓輸出最大值。3. ClassE電路接受很小的直流輸入，初級(jí)線圈能夠產(chǎn)生具有很大峰-峰值的 交變電壓，并有足夠驅(qū)動(dòng)一定負(fù)載的功率，用以傳遞給次級(jí)線圈(體內(nèi)部分)供 電。4. 采用線圈間不接觸的電磁感應(yīng)進(jìn)行電能傳輸，利用放大電路及變壓器原理 保證傳輸質(zhì)量同時(shí)不會(huì)加大體積，無線傳輸提高了生物植入裝置工作的安全性。5. 線圈的設(shè)計(jì)，采用小巧高效的傳輸方法，為體內(nèi)部分植入人體提供可能。6. 體內(nèi)輸出為穩(wěn)定3. 3V直流電，為下級(jí)裝置提供合適的輸入。7. 電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，體積小，適用于生物植入裝置的應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明整體裝置結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明Class-E放大電路原理圖 圖3是本發(fā)明體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊原理圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例由單片機(jī)控制模塊，電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊，線圈耦合 傳輸模塊，體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊四部分組成，其中所述單片機(jī)控制模塊產(chǎn)生P麵 波控制電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊的輸出頻率及效率；所述的電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊主要 由Class-E功率放大電路搭建而成，Class-E放大電路由單片機(jī)控制模塊產(chǎn)生的 PWM波作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接收3-5V的直流電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換并放大成交流電輸出 給線圈耦合傳輸模塊；所述線圈耦合傳輸模塊將輸入的交流電，通過無線電能感 應(yīng)由體外到體內(nèi)的體內(nèi)整流穩(wěn)壓?！姥耄凰鲶w內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊以線圈耦合傳輸模 塊感應(yīng)得到的交流電為輸入，將交流電通過整流，濾波，穩(wěn)壓至穩(wěn)定的3.3V直 流電，為植入體內(nèi)的醫(yī)學(xué)儀器供能。所述的單片機(jī)控制模塊，是整個(gè)無線功能系統(tǒng)的第一部分，由單片微型控制 器(MCU)及其周邊支持電路組成。脫機(jī)工作的MCU外電路十分簡單，只需在Vcc7和Gnd兩腳間外接3. 3伏或5伏直流電源(此電源可與Class-E的外加直流的電 源共同使用)。另外由于裝置所需的信號(hào)頻率較高(lMHz)，因此本實(shí)施例中，MCU 配置了外接晶振(26MHZ/33MHz，內(nèi)嵌穩(wěn)頻電容)，串接在XALT1與XALT2之間， 這樣就可以穩(wěn)定的為MCU提供高頻率的時(shí)鐘信號(hào)。通過在線編程工具向MCU燒錄 匯編語言程序，使MCU在上電后，第9腳P3. 5和第10腳Gnd間輸出方波脈沖， 峰峰值為3. 3V，占空比50%，頻率為100K到1.8MHz之間。實(shí)驗(yàn)證明，由MCU 產(chǎn)生的占空比為50%的方波脈沖完全可以用于控制Class-E放大電路。MCU及其 外圍電路可與后續(xù)的Class-E放大電路及其所需的供能3V或5伏直流電池和傳 輸電能的初級(jí)線圈一起，集成在PCB板上，作為無線功能裝置的體外部分。如圖2所示，Class-E電路功率放大模塊是無線供能系統(tǒng)的第二部分，主要 功能是將由電池提供的直流電源通過Class-E放大電路進(jìn)行諧振放大，轉(zhuǎn)化成為 所需頻率的交流電，通過初級(jí)線圈輸出。具體實(shí)現(xiàn)是由P麗波的高低電平控制三 極管的開關(guān)，使電路里的振蕩電流幾乎無損失的由線圈傳送出去；當(dāng)P麗波處于 高電平時(shí)，三極管在電路中導(dǎo)通，相當(dāng)于導(dǎo)線；當(dāng)P麗波處于低電平時(shí)，三極管 無工作電壓，相當(dāng)于斷路，故電路前半部分無作用，已輸入的電流在后半部分諧 振電路中進(jìn)行振蕩。當(dāng)PWM的頻率與電路的固有諧振頻率一致時(shí)，將產(chǎn)生最高的 效率，輸出相同頻率的交流電信號(hào)。電路的固有頻率由電路的電容與線圈的阻抗 值共同決定。Class-E放大電路具有很高的工作效率，但是需要各元件阻值及線 圈的參數(shù)與輸入的PWM波頻率具有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，只有當(dāng)各個(gè)參數(shù)均互相匹配 時(shí)，才能高效的產(chǎn)生所需頻率的交流電壓源。如附圖2所示，單片機(jī)控制模塊產(chǎn) 生的P麗波由三極管的左側(cè)基極送入電路，同時(shí)送入電路的還有適當(dāng)大小的直流 電源，電流經(jīng)過濾波電容C1濾波后，送入后級(jí)的RLC串聯(lián)諧振電路，此電路由 諧振電容C2、電阻RO及相當(dāng)于電感的初級(jí)線圈串聯(lián)而成。經(jīng)過諧振之后的電流 通過初級(jí)線圈輸出。所述的線圈耦合傳輸模塊，包括初級(jí)線圈Lto及次級(jí)線圈L;《。本實(shí)施例中，具體由直徑0.05mm漆包線絞成環(huán)狀線圈，線圈設(shè)計(jì)成環(huán)狀，適用于體內(nèi)體外的 耦合模式，盡可能的避免能量流失，若能使兩級(jí)線圈精確定位，則在環(huán)狀線圈中 插入鐵氧體芯可使效率更高。由變壓器原理，次級(jí)線圈較初級(jí)線圈匝數(shù)更多，彌 補(bǔ)因線圈間隔而造成的能量損失，并且由于工作頻率lMHz， Class-E放大電路輸出電壓大，使兩級(jí)線圈間效率增大。線圈本身的電感值，兩級(jí)線圈間的互感，以 及體內(nèi)部分的整流穩(wěn)壓電路都與Class-E放大電路中的諧振頻率有關(guān)，整體裝置連接完全后，由線圈電感值及各部分參數(shù)匹配而得到使輸出交流電壓最大的諧振頻率，同時(shí)也與MCU輸出的P麗波頻率相同，使得線圈間無線電能傳輸?shù)男蔬_(dá)到最大。兩級(jí)線圈由若干條漆包細(xì)銅絲擰成股后，再纏繞成適當(dāng)匝數(shù)的環(huán)狀線圈， 在體內(nèi)體外應(yīng)盡量同軸擺放，以達(dá)到最大的共同磁通量。兩級(jí)線圈可以加入鐵芯，以提高傳輸效率。如圖4所示，次級(jí)線圈L&感應(yīng)交流電輸入體內(nèi)整流電路，通過高頻肖特基 二極管組成的整流橋進(jìn)行全波橋式整流，利用二極管的單向?qū)щ娦詫㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn) 換為單向脈動(dòng)信號(hào)，濾波電容C通過對電路充放電減小電壓脈動(dòng)，將信號(hào)初步調(diào) 制成直流電信號(hào)，選取三端穩(wěn)壓管AMS1117對整流后的直流電進(jìn)行電壓調(diào)整，電 容C?？杀ＷC三端穩(wěn)壓管工作性能并抑制輸出電壓的波動(dòng)，最終電路輸出穩(wěn)定的 3.3V直流電，為充電電池等下級(jí)設(shè)備供能。
權(quán)利要求
1. 一種用于生物植入體的可控高效能無線供能裝置，包括單片機(jī)控制模塊，電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊，線圈耦合傳輸模塊，體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊，其特征在于所述單片機(jī)控制模塊產(chǎn)生PWM波控制電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊的輸出頻率及效率；所述的電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊主要由Class-E功率放大電路搭建而成，Class-E放大電路由單片機(jī)控制模塊產(chǎn)生的PWM波作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接收3-5V的直流電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換并放大成交流電輸出給線圈耦合傳輸模塊；所述線圈耦合傳輸模塊將輸入的交流電，通過無線電能感應(yīng)由體外到體內(nèi)的體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊；所述體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊以體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊得到的交流電為輸入，將交流電通過整流，濾波，穩(wěn)壓至穩(wěn)定的3.3V直流電，為植入體內(nèi)的醫(yī)學(xué)儀器供能。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于生物植入體的可控高效能無線供能裝置，其 特征是所述的單片機(jī)控制模塊，由單片微型控制器及其周邊支持電路組成，單 片微型控制器通過在線編程工具燒錄匯編語言程序控制PWM模塊寄存器，P麗波 在第九腳和第十腳間輸出，輸出幅度為3.3V，占空比50%，頻率在1.8MHz和 100KHz之間，所輸出的方波脈沖作為Class-E放大電路的輸入信號(hào)，控制無線 供能系統(tǒng)的頻率和波形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于生物植入體的可控高效能無線供能裝置，其 特征是所述的Class-E放大電路接收單片機(jī)控制模塊發(fā)出的PWM波控制信號(hào)， 其頻率即為ClassE放大電路轉(zhuǎn)換的交流電的頻率，Class-E放大電路將開關(guān)信 號(hào)送入放大晶體管以控制電路開閉，從而對后續(xù)電路產(chǎn)生諧振，經(jīng)一級(jí)電容器濾 波，再由二級(jí)的電容器與初級(jí)線圈串聯(lián)構(gòu)成的諧振電路進(jìn)行諧振放大，將輸入的 直流電壓轉(zhuǎn)化為交流電由線圈耦合傳輸模塊輸出。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于生物植入體的可控高效能無線供能裝置，其 特征是所述的線圈耦合傳輸模塊，由初級(jí)及次級(jí)兩巻線圈組成，體外的初級(jí)線 圈接收電壓轉(zhuǎn)換級(jí)放大模塊轉(zhuǎn)換放大成的交流電，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在體內(nèi)的 次級(jí)線圈上產(chǎn)生感應(yīng)交流電，為體內(nèi)的裝置供電，實(shí)現(xiàn)電能由體外到體內(nèi)的無線 傳輸。 ,
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于生物植入體的可控高效能無線供能裝置，其 特征是所述線圈由漆包銅線進(jìn)行纏繞，共軸放置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的用于生物植入體的可控高效能無線供能裝置，其特征是所述線圈為有鐵芯與無鐵芯兩種，兩級(jí)線圈距離越近傳輸效率越高， 初級(jí)線圈的電感值直接影響Class-E放大電路的諧振頻率。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于生物植入體的可控高效能無線供能裝置，其 特征是所述的體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊，包括整流橋，濾波電容及三端穩(wěn)壓管，次 級(jí)線圈感應(yīng)的交流電通過整流橋的全波橋式整流將正弦信號(hào)翻轉(zhuǎn)在同一方向上， 通過并聯(lián)濾波電容的充放電將正弦波形調(diào)制成近似的直流波形，再通過三端穩(wěn)壓 管進(jìn)一步調(diào)整，消除上級(jí)電能傳輸中可能產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素，把調(diào)制后的直流電穩(wěn)定在3. 3V輸出，為下級(jí)設(shè)備供能。
全文摘要
一種用于生物植入體的可控高效能無線供能裝置，包括單片機(jī)控制模塊，電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊，線圈耦合傳輸模塊，體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊，單片機(jī)控制模塊產(chǎn)生PWM波控制電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊的輸出頻率及效率；電壓轉(zhuǎn)換及放大模塊由Class-E功率放大電路搭建而成，Class-E放大電路接收3-5V的直流電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換并放大成交流電輸出給線圈耦合傳輸模塊；線圈耦合傳輸模塊實(shí)現(xiàn)電能由體外到體內(nèi)的傳輸；體內(nèi)整流穩(wěn)壓模塊將交流電通過整流，濾波，穩(wěn)壓至穩(wěn)定的3.3V直流電，為植入體內(nèi)的醫(yī)學(xué)儀器供能。本發(fā)明體積小，實(shí)現(xiàn)簡單，頻率可調(diào)節(jié)，且無線交流電能傳遞效率高，在醫(yī)學(xué)植入裝置的供能問題上實(shí)現(xiàn)了無線傳輸。
文檔編號(hào)H02M3/28GK101262149SQ200810036568
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者南 唐, 雷 曹, 帥 牛, 牛金海, 龔含嫣 申請人:上海交通大學(xué)