一種植入式自適應無線電能傳輸系統的製作方法
2023-04-30 21:51:36 1
本發明涉及無線電能傳輸系統領域，具體是一種植入式自適應無線電能傳輸系統。
背景技術：
電子技術、製造技術和生物醫療技術的不斷進步，促使人類將醫學研究與臨床實踐推到一個新的高度。植入式醫療設備是電子製造技術與醫學的相結合，通過外科手術等方式植入體內後，可以用於長期監測體內生理參數的變化，實現在生命體自然生理狀態下的實時、精確測量和控制，協助診斷、治療某些疾病，甚至代替某些功能衰弱或喪失的器官，其在生物研究、醫學診斷等方面的作用日益凸顯。隨著人們生活水平的提高，其應用也日益普及，如心臟起搏器、人工耳蝸、人工視網膜、膠囊內窺鏡等。
而對於植入式設備，能量的穩定、高效及安全供給是甚為關鍵的問題。傳統的辦法是在植入式設備中集成一次性高能量密度電池，如膠囊內窺鏡常採用大電容的鋰電池、鎳鎘電池來供電。儘管現代科技的發展使得電池的容量不斷擴大，但對於大功率的植入設備，如人工心臟等，傳統的植入電池方式已無法提供長期的電能。有限的電池壽命意味著電池的周期性更替，這昂貴的手術費無疑加重了患者的經濟負擔，而植入電池的體積也阻礙了植入式醫療設備的微型化步伐。
無線能量傳輸能夠透過皮膚將能量源源不斷地供應給體內的植入式電子設備，解決了需要更換電池的問題，同時，其輸出功率也能滿足植入式醫療系統的要求，因此被越來越多的植入式醫療電子系統採用。當前無線能量傳輸的基礎是近場互感耦合理論，但傳統的互感耦合結構存在傳輸效率隨距離增大迅速下降的缺點，所接收恢復的電源能量隨距離變化存在明顯波動，容易導致生物體體組織損傷，而且由於接收的過量能量會使得人體溫度升高，甚至於傷害人體組織，過量的電磁輻射也會引起人體的不適，且實現上大量的分立元件也增加了植入體內的難度。
技術實現要素：
本發明目的是提供一種既能滿足植入式設備不間斷的供電需求，還使能量的傳輸具有可控性，避免過量能量的傳輸的植入式自適應無線電能傳輸系統。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
一種植入式自適應無線電能傳輸系統，包括體外能量發射模塊、體內能量收集模塊以及自適應反饋環路；
所述體外能量發射模塊包括功率放大電路、信號源及驅動、發射線圈；所述功率放大電路採用D類，且為電壓開關型；
所述饋環路主要包括體內信息採集、體內體外無線通信、體外能量控制；整個反饋結構由體內反饋和系統反饋兩個環路構成；
所述體內能量收集模塊包括接收線圈、耦合電容、全波整流濾波、PWM調製模塊以及LSK調製電路。
進一步的，還設置有中繼線圈，與發射線圈和接收線圈構成三線圈耦合的形式，保證中遠距離體外能量發射模塊與體內能量收集模塊的能量傳遞。
本發明的有益效果是：
本發明提出了一種植入式自適應無線電能傳輸系統，既能滿足植入式設備不間斷的供電需求，還使能量的傳輸具有可控性，避免過量能量的傳輸。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
圖1為本發明植入式自適應無線電能傳輸系統基本框圖。
圖2為本發明D類放大器結構示意圖。
圖3為本發明三線圈耦合示意圖。
圖4為自適應反饋環路基本框圖。
圖5為本發明體內能量收集模塊示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
如圖1-5所示，本發明公開一種植入式自適應無線電能傳輸系統，其特徵在於，包括體外能量發射模塊、體內能量收集模塊以及自適應反饋環路；
所述體外能量發射模塊包括功率放大電路、信號源及驅動、發射線圈；所述功率放大電路採用D類，且為電壓開關型；
所述自適應反饋環路主要包括體內信息採集、體內體外無線通信、體外能量控制；整個反饋結構由體內反饋和系統反饋兩個環路構成；
所述體內能量收集模塊包括接收線圈、耦合電容、全波整流濾波、PWM調製模塊以及LSK調製電路。
還設置有中繼線圈，所述中繼線圈與發射線圈、接收線圈三線圈耦合，保證中遠距離體外能量發射模塊與體內能量收集模塊的能量傳遞。
以下將詳細闡述各主要模塊的設計及工作機理
1、功率放大電路
功率放大電路是體外發射模塊的核心，它的結構在很大程度上影響著整個無線能量傳輸系統的效率及傳輸特性，同時也決定著發射模塊中驅動電路的選擇。目前，在無線能量傳輸系統中，功率放大電路一般採用D類或者E類功率放大電路來實現，本系統採用D類。
雖然相比D類放大器，E類放大器被更廣泛地應用在無線能量傳輸系統中，尤其在無線充電等這類發射與接收電路位置相對固定的應用場合下，E類確實有相對D類放大器更高的效率，但在植入式系統的應用上，本發明採用D類功率放大器的結構更適合。
首先，在植入式系統的應用環境下，接收電路常處於運動狀態或負載瞬時變化，此時接收電路反射到發射電路的負載會即時變化，而E類放大器的最佳工作效率是需要在驅動信號佔空比、電容和負載參數一一對應的情況下才能實現的，否則系統的效率下降很快。D類放大器的工作條件則只與開關管的參數相關，並不隨負載變化而變化，只要選擇好合適的開關管，便可以保證較高的效率。
其次，從「歸一化功率輸出能力」上對選材的難度的影響出發。「歸一化功率輸出能力」，即輸出功率與器件最大電壓電流乘積的比。在相同的輸出功率下，E類放大器結構的開關管將需要承受3倍於D類結構的電學應力。
再次，從反饋控制的實現方式上來看，E類放大器結構如要實現發射能量的控制，需要在負載變化時即時地調整電源電壓、迴路電容及驅動信號佔空比，以實現調節發射功率時系統仍工作在最佳條件下，而D類放大器只需要調整電源電壓便可以實現反饋控制，大大簡化了反饋迴路的複雜度。
最後，E類放大器其相對D類放大器的一個優勢便是其開關速度快，但在植入式無線能量傳輸系統中，安全性是必須考慮的問題，過高的頻率會增強人體對輻射的吸收從而傷及人體，這便限制了開關頻率的上限，而在被限制的開關頻率範圍內，D類放大器結構可以滿足要求。
電壓開關型D類放大器的結構。兩個開關管串聯在電源和地之間，並在激勵源信號的控制下輪流導通，使得A點產生方波信號，而由於負載迴路諧振在激勵源信號的頻率上，最終流入負載的電流為正弦電流。兩個管子都工作在開關狀態，當其導通時，漏源電流大，但漏源兩端的電壓幾乎為零；當管子斷開時，雖然其漏源電壓的電壓接近電源電壓，但沒有電流流過，故其開關功耗很小，理論上為零。
基於此，本發明所設計的無線能量傳輸系統，其體外發射模塊的功率放大器選擇D類放大器結構。最終體外模塊的功率放大器及其驅動電路如圖所示，D類放大器為電壓開關型，因使用上下管結構，驅動電路採用變壓器耦合的方式，變壓器耦合既可以起到隔離的作用，避免兩部分的相互幹擾，其雙極性的驅動電壓也可以加快電荷的抽取速度，彌補D類放大器開關速度不足的劣勢。而為了減少兩個管子同時導通的機率和提高驅動力，驅動電路採用兩相不交疊信號作為驅動源，再經由互補推挽結構驅動上述提及的變壓器耦合迴路。
2、三線圈耦合結構
傳統的互感耦合傳輸方式只能在線圈最大尺寸的範圍保證高效傳輸，在中遠距離上的傳輸效率隨距離的增大迅速下降。強磁耦合理論的出現解決了這方面的問題，它可以在數倍於線圈最大尺寸的範圍內實現高效的能量傳輸，但它需要一對高Q值的共振器，且在高效率的情況下負載的接收功率很低。
強磁耦合結構所構成的「強磁耦合區」能保證能量的高效傳輸。而從電路的角度分析，是因為共振器具有高Q值，所以Q值對系統傳輸效率的增強作用。
本發明在互感耦合兩線圈結構的基礎上，加入一個高Q值的中繼線圈，減弱負載對耦合線圈品質因數的影響，這可能改善系統在中遠距離上的傳輸效率，即形成一個三線圈結構。
耦合結構是整個無線能量傳輸系統的關鍵部分，它決定著整個系統的傳輸效率。在考慮實際植入式環境的約束及人體安全性的基礎上，確定工作頻率、線圈選材、線圈的半徑及匝數等參數。
3、自適應反饋環路
自適應反饋環路是無線能量傳輸系統的重要組成部分，沒有反饋控制，過量的能量傳輸可能導致人體組織的損傷。反饋環路主要由體內信息採集、體內體外無線通信、體外能量控制等部分組成。整個反饋結構由體內反饋和系統反饋兩個環路構成。體內反饋環路通過採樣恢復出來的電壓從而快速地控制負載上的電流，缺點是調節範圍有限。系統反饋環路通過採樣體內恢復出來的電壓，傳輸到體外，再經MCU和數控可調電源對發射能量進行控制，其調節範圍廣，但響應速度慢。兩個反饋環路相結合，便可以實現快速而大範圍的反饋控制，且不需要ADC等複雜電路。
4、體內能量收集電路
基於前面的分析，體內能量收集模塊主要包括了接收線圈、耦合電容、全波整流濾波、PWM調製模塊以及LSK調製電路，而為了給負載提供穩定的電源供給，整流濾波的電壓還需要通過一個線性穩壓器再給負載供電。
植入式的環境限制了體內電路的面積，如果系統採用分立元件來搭建，則其體積和功耗都過於龐大，這增加了植入的難度。因此，本發明決定利用集成電路設計一個囊括線性穩壓源、PWM調製、帶隙基準等模塊的能量恢復及電源管理晶片，實現無線能量傳輸體內系統的單片集成化。整個三線圈自適應無線能量傳輸系統的系統框架，包括功率放大電路、三線圈結構、自適應反饋環路以及體內能量收集與電源恢復電路。基於植入式應用環境的考慮，設計了以D類放大器為核心的驅動及功率放大電路，大大降低了自適應反饋環路的複雜度，同時其較低的電學應力也提高了系統的安全性。同時為了降低趨膚效應和鄰近效應的影響，本章採用利茲線來製作耦合結構中的線圈，其繞制方式能增大線圈的有效截面積，降低了線圈的交流阻抗，這進一步提升了系統的傳輸效率。為了提高能量傳輸的安全性，提出了一種結合PWM和LSK的反饋控制技術，在不大幅度增加體內電路複雜度的基礎上，實現對能量的快速、大範圍反饋控制。
以上所述的本發明實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護範圍之內。