本專利申請(qǐng)總體涉及醫(yī)療電子，并且更具體地涉及一種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

植入式醫(yī)療設(shè)備在現(xiàn)代醫(yī)療中正得到日益廣泛的應(yīng)用。植入式醫(yī)療設(shè)備由于其獨(dú)特的應(yīng)用，一般要求對(duì)其供電的電源體積小，功耗低，供電效率高。不僅如此，植入式醫(yī)療設(shè)備往往具有多個(gè)工作模式，如睡眠模式、測(cè)量模式、數(shù)據(jù)傳輸模式等等。在每種不同的工作模式下，同一植入式醫(yī)療設(shè)備對(duì)其供電電源一般會(huì)有不同的要求。

DC-DC轉(zhuǎn)換器是植入式醫(yī)療設(shè)備供電系統(tǒng)中的重要組成部分?，F(xiàn)有的DC-DC轉(zhuǎn)換器，往往不能很好地滿足植入式醫(yī)療設(shè)備在不同工作模式下對(duì)輸出電壓和負(fù)載在較大范圍內(nèi)的不同要求。而且，現(xiàn)有的DC-DC轉(zhuǎn)換器，為了提高可配置性，其電路往往較為復(fù)雜，芯片覆蓋面積較大，功耗較高，系統(tǒng)的工作效率較低，因而不適合被應(yīng)用于對(duì)植入式醫(yī)療設(shè)備供電。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本專利申請(qǐng)?zhí)峁┮环N用于植入式醫(yī)療設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器。在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器包括：開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核，其包括多個(gè)功率三極管開關(guān)，用于接收一輸入電壓，并輸出一輸出電壓；開關(guān)驅(qū)動(dòng)器與所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核相連，用于打開所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核中相應(yīng)的功率三極管開關(guān)，為一連接所述輸出電壓的負(fù)載供電；開關(guān)信號(hào)路由器與所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器相連, 用于選擇性地傳遞所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器需要的信號(hào)；增益選擇解碼器與所述開關(guān)信號(hào)路由器相連；增益控制器與所述增益選擇解碼器相連，所述增益選擇解碼器用于解碼所述增益控制器發(fā)出的增益選擇的指令；輸入調(diào)節(jié)器，與所述增益控制器相連，接收所述輸入電壓及一參考電壓，用于指示所述輸入電壓與所述參考電壓的相對(duì)關(guān)系，并將該關(guān)系傳輸至所述增益控制器；輸出調(diào)節(jié)器，與所述增益控制器相連，接收所述輸出電壓及所述參考電壓，用于指示所述輸出電壓與所述參考電壓的相對(duì)關(guān)系，并將該關(guān)系傳輸至所述增益控制器；時(shí)鐘發(fā)生器，與所述開關(guān)信號(hào)路由器、所述增益控制器及所述輸出調(diào)節(jié)器分別相連；以及計(jì)數(shù)器，與所述增益控制器相連。所述輸入調(diào)節(jié)器包括適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于根據(jù)所述輸入電壓和所述參考電壓確定所需的轉(zhuǎn)換增益比；以及控制邏輯電路與所述適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，用于控制所述適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器。所述輸出調(diào)節(jié)器包括多個(gè)比較器，以及控制邏輯電路與所述比較器相連。所述增益控制器用于根據(jù)所述輸入調(diào)節(jié)器和所述輸出調(diào)節(jié)器提供的信息，控制所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核所需的轉(zhuǎn)換增益比。所述轉(zhuǎn)換增益比為所述輸出電壓與所述輸入電壓的比值。當(dāng)所述輸出電壓位于所述參考電壓以下一預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)時(shí)，所述增益控制器被關(guān)閉，所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核的開關(guān)頻率按DFS (Discrete-frequency Scaling) 算法做離散幅度的調(diào)整，使所述輸出電壓逐漸接近所述參考電壓。當(dāng)所述輸出電壓高于或等于所述參考電壓時(shí)，所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核停止其開關(guān)的工作。當(dāng)所述輸出電壓低于所述參考電壓時(shí)，所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核重啟其開關(guān)的工作。

所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核可以包括多個(gè)功率三極管開關(guān)及泵電容器，其提供的所述轉(zhuǎn)換增益比為1/2, 2/3, 1, 3/2及2。所述輸入調(diào)節(jié)器的所述適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以包含比較器及多個(gè)鎖存器。所述鎖存器與所述比較器相連，用于根據(jù)所述比較器的結(jié)果產(chǎn)生預(yù)設(shè)數(shù)位的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)描述所述參考電壓與所述輸入電壓的比值，并用于設(shè)定所需的轉(zhuǎn)換增益比。

所述增益控制器可以包含一數(shù)字電路，當(dāng)所述輸出電壓位于所述參考電壓以下的所述預(yù)設(shè)閾值范圍以下時(shí)，該數(shù)字電路通過(guò)調(diào)整所述轉(zhuǎn)換增益比，較大幅度地調(diào)正所述輸出電壓。所述計(jì)數(shù)器可以用于每次當(dāng)所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核的開關(guān)頻率發(fā)生變化后，計(jì)數(shù)一預(yù)設(shè)數(shù)量的時(shí)鐘周期，以使得所述輸出電壓有充分的時(shí)間對(duì)該變化做出相應(yīng)的反應(yīng)。

所述時(shí)鐘發(fā)生器可以包括比較器；邏輯電路與所述比較器相連并驅(qū)動(dòng)所述比較器；以及時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器與所述邏輯電路相連，并輸出兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。該兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以被傳輸至所述開關(guān)信號(hào)路由器及所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)而控制所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核。

在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器包括：開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核，其包括多個(gè)功率三極管開關(guān)，用于接收一輸入電壓，并輸出一輸出電壓；開關(guān)驅(qū)動(dòng)器與所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核相連，用于打開所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核中相應(yīng)的功率三極管開關(guān)，為一連接所述輸出電壓的負(fù)載供電；開關(guān)信號(hào)路由器與所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器相連, 用于選擇性地傳遞所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器需要的信號(hào)；增益選擇解碼器與所述開關(guān)信號(hào)路由器相連；增益控制器與所述增益選擇解碼器相連，所述增益選擇解碼器用于解碼所述增益控制器發(fā)出的增益選擇的指令；輸入調(diào)節(jié)器，與所述增益控制器相連，接收所述輸入電壓及一參考電壓，用于指示所述輸入電壓與所述參考電壓的相對(duì)關(guān)系，并將該關(guān)系傳輸至所述增益控制器；輸出調(diào)節(jié)器，與所述增益控制器相連，接收所述輸出電壓及所述參考電壓，用于指示所述輸出電壓與所述參考電壓的相對(duì)關(guān)系，并將該關(guān)系傳輸至所述增益控制器；時(shí)鐘發(fā)生器，與所述開關(guān)信號(hào)路由器、所述增益控制器及所述輸出調(diào)節(jié)器分別相連；以及計(jì)數(shù)器，與所述增益控制器相連。所述輸入調(diào)節(jié)器包括適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于根據(jù)所述輸入電壓和所述參考電壓確定所需的轉(zhuǎn)換增益比；以及控制邏輯電路與所述適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，用于控制所述適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器。所述輸出調(diào)節(jié)器包括多個(gè)比較器，以及控制邏輯電路與所述比較器相連。所述增益控制器用于根據(jù)所述輸入調(diào)節(jié)器和所述輸出調(diào)節(jié)器提供的信息，控制所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核所需的轉(zhuǎn)換增益比，所述轉(zhuǎn)換增益比為所述輸出電壓與所述輸入電壓的比值。所述增益控制器包含一數(shù)字電路，當(dāng)所述輸出電壓位于所述參考電壓上下的一預(yù)設(shè)閾值范圍以外時(shí)，該數(shù)字電路通過(guò)調(diào)整所述轉(zhuǎn)換增益比，較大幅度地調(diào)正所述輸出電壓。當(dāng)所述輸出電壓位于所述參考電壓上下的所述預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)時(shí)，所述增益控制器被關(guān)閉，所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核的開關(guān)頻率按DFS (Discrete-frequency Scaling) 算法做離散幅度的調(diào)整，使所述輸出電壓逐漸接近所述參考電壓。

所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核可以包括多個(gè)功率三極管開關(guān)及泵電容器，其提供的所述轉(zhuǎn)換增益比為1/2, 2/3, 1, 3/2及2。所述輸入調(diào)節(jié)器的所述適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以包含比較器及多個(gè)鎖存器。所述鎖存器與所述比較器相連，用于根據(jù)所述比較器的結(jié)果產(chǎn)生預(yù)設(shè)數(shù)位的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)描述所述參考電壓與所述輸入電壓的比值，并用于設(shè)定所需的轉(zhuǎn)換增益比。

所述時(shí)鐘發(fā)生器可以包括比較器；邏輯電路與所述比較器相連并驅(qū)動(dòng)所述比較器；以及時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器與所述邏輯電路相連，并輸出兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。該兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以被傳輸至所述開關(guān)信號(hào)路由器及所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)而控制所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本專利申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施例的用于植入式醫(yī)療設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2A是圖1所示DC-DC轉(zhuǎn)換器中輸入調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2B是圖1所示DC-DC轉(zhuǎn)換器中輸出調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是圖1所示DC-DC轉(zhuǎn)換器中時(shí)鐘發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本專利申請(qǐng)的用于植入式醫(yī)療設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖1是根據(jù)本專利申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施例的用于植入式醫(yī)療設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖。參見圖1，該用于植入式醫(yī)療設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器包括：開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101，其包括多個(gè)功率三極管開關(guān)，用于接收一輸入電壓，并輸出一輸出電壓；開關(guān)驅(qū)動(dòng)器103與所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101相連，用于打開所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101中相應(yīng)的功率三極管開關(guān)，為一連接所述輸出電壓的負(fù)載104供電；開關(guān)信號(hào)路由器105與所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器103相連,用于選擇性地傳遞所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器103需要的信號(hào)；增益選擇解碼器107與所述開關(guān)信號(hào)路由器105相連；增益控制器109與所述增益選擇解碼器107相連，所述增益選擇解碼器107用于解碼所述增益控制器109發(fā)出的增益選擇的指令；輸入調(diào)節(jié)器111，與所述增益控制器109相連，接收所述輸入電壓及一參考電壓，用于指示所述輸入電壓與所述參考電壓的相對(duì)關(guān)系，并將該關(guān)系傳輸至所述增益控制器109；輸出調(diào)節(jié)器113，與所述增益控制器109相連，接收所述輸出電壓及所述參考電壓，用于指示所述輸出電壓與所述參考電壓的相對(duì)關(guān)系，并將該關(guān)系傳輸至所述增益控制器109；時(shí)鐘發(fā)生器115，與所述開關(guān)信號(hào)路由器105、所述增益控制器109及所述輸出調(diào)節(jié)器113分別相連；以及計(jì)數(shù)器117，與所述增益控制器109相連。

圖2A是圖1所示DC-DC轉(zhuǎn)換器中輸入調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖。參見圖2A，在本實(shí)施例中，所述輸入調(diào)節(jié)器111包括適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器201用于根據(jù)所述輸入電壓和所述參考電壓確定所需的轉(zhuǎn)換增益比；以及控制邏輯電路203與所述適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器201相連，用于控制所述適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器201。參見圖1和圖2A，在本實(shí)施例中，所述輸入調(diào)節(jié)器111中的所述適應(yīng)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器201包含比較器204及多個(gè)鎖存器205。所述鎖存器205與所述比較器204相連，用于根據(jù)比較器204的結(jié)果產(chǎn)生預(yù)設(shè)數(shù)位的數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中，該預(yù)設(shè)數(shù)位為3位。該3位數(shù)據(jù)描述所述參考電壓與所述輸入電壓的比值，并用于設(shè)定所需的轉(zhuǎn)換增益比。當(dāng)所述輸入電壓發(fā)生微小變化時(shí)，所述鎖存器205產(chǎn)生的該3位數(shù)據(jù)保持不變；而當(dāng)所述輸入電壓發(fā)生較大變化時(shí)，所述鎖存器205產(chǎn)生的該3位數(shù)據(jù)發(fā)生變化，從而改變所述轉(zhuǎn)換增益比。

圖2B是圖1所示DC-DC轉(zhuǎn)換器中輸出調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖。參見圖2B，在本實(shí)施例中，所述輸出調(diào)節(jié)器113包括多個(gè)比較器211，以及控制邏輯電路213與所述比較器相連211。在所述輸出調(diào)節(jié)器中113，所述比較器211包括一讀出放大器。讀出放大器的使用有助于進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。

參見圖1，所述增益控制器109根據(jù)所述輸入調(diào)節(jié)器111和所述輸出調(diào)節(jié)器113提供的信息，控制所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101所需的轉(zhuǎn)換增益比，所述轉(zhuǎn)換增益比為所述輸出電壓與所述輸入電壓的比值。

在本實(shí)施例中，當(dāng)所述輸出電壓足夠接近所述參考電壓時(shí)，所述增益控制器109被關(guān)閉，所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101的開關(guān)頻率按DFS (Discrete-frequency Scaling) 算法做離散幅度的調(diào)整，使所述輸出電壓逐漸接近所述參考電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精細(xì)調(diào)節(jié)。當(dāng)所述輸出電壓達(dá)到所述參考電壓時(shí)，所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101停止其開關(guān)的工作。當(dāng)所述輸出電壓低于所述參考電壓時(shí)，所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器101內(nèi)核重啟其開關(guān)的工作。

更具體地，參見圖1，所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101包括多個(gè)功率三極管開關(guān)，以及泵電容器。所述轉(zhuǎn)換增益比可以大于或小于1。本實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)換增益比可以為1/2, 2/3, 1, 3/2及2。所述增益控制器109包含一數(shù)字電路。當(dāng)所述輸出電壓在（所述參考電壓±一預(yù)設(shè)閾值）范圍外時(shí)，該數(shù)字電路通過(guò)調(diào)整所述轉(zhuǎn)換增益比，較大幅度地調(diào)正所述輸出電壓，通過(guò)適應(yīng)性功率控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的粗略調(diào)節(jié)。

當(dāng)所述輸出電壓在（所述參考電壓±一預(yù)設(shè)閾值）范圍內(nèi)時(shí)，所述增益控制器109被關(guān)閉，所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101的開關(guān)頻率按DFS (Discrete-frequency Scaling) 算法做離散幅度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精細(xì)調(diào)節(jié)。所述計(jì)數(shù)器117用于每次當(dāng)所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101的開關(guān)頻率發(fā)生變化后，計(jì)數(shù)一預(yù)設(shè)數(shù)量的時(shí)鐘周期，以使得所述輸出電壓有充分的時(shí)間對(duì)該變化做出相應(yīng)的反應(yīng)。在本實(shí)施中，所述預(yù)設(shè)閾值小于或等于所述參考電壓的10%。

圖3是圖1所示DC-DC轉(zhuǎn)換器中時(shí)鐘發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖。參見圖3，所述時(shí)鐘發(fā)生器包括比較器301；邏輯電路303與所述比較器301相連并驅(qū)動(dòng)所述比較器301；以及時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器305與所述邏輯電路303相連，并輸出兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)A和B。該兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)A和B傳輸至所述開關(guān)信號(hào)路由器105及所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器103，并進(jìn)而控制所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101。本實(shí)施例中，所述比較器301的輸入為所述輸出電壓與所述參考電壓。

在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述輸出電壓大于所述參考電壓時(shí)，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器103控制所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核101中的功率三極管停止開關(guān)工作。該設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的功耗進(jìn)一步得以降低，并且限制了所述輸出電壓的過(guò)沖。

在以上實(shí)施例中，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器的芯片覆蓋區(qū)域小，電路復(fù)雜程度低，可配置性強(qiáng)，并且使用了對(duì)輸出電壓的粗略調(diào)節(jié)(適應(yīng)性功率控制)和精細(xì)調(diào)節(jié)(DFS)相結(jié)合的控制方法，使得該DC-DC轉(zhuǎn)換器可以滿足很大范圍的輸出電壓及負(fù)載要求，尤其適用于對(duì)植入式醫(yī)療設(shè)備供電。同時(shí)，當(dāng)所述輸出電壓大于所述參考電壓時(shí)，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器可以控制所述開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器內(nèi)核中的功率三極管停止開關(guān)工作，不但限制了輸出電壓的過(guò)沖，而且進(jìn)一步減少了功率的損耗，從而提高了系統(tǒng)的工作效率。

以上所述，僅是本專利申請(qǐng)較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本專利申請(qǐng)作任何形式上的限制，雖然本專利申請(qǐng)以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本專利申請(qǐng)，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本專利申請(qǐng)技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許變更或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本專利申請(qǐng)技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本專利申請(qǐng)技術(shù)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于本專利申請(qǐng)技術(shù)方案的范圍內(nèi)。