一种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，包括体外能量发射装置和体内能量接收装置；所述体外能量发射装置和体内能量接收装置之间通过电磁感应方式耦合，所述体内能量接收装置连接负载以提供电能，所述体外能量发射装置将直流供电电压逆变为交流，驱动LC谐振回路，产生交变磁场；所述体内能量接收装置通过接收线圈感应生电，经过整流、滤波和稳压输出满足要求的供电电压，驱动负载，本发明克服由于能量线圈之间位置或距离的改变致体内接收端电压的波动，自动调节发射功率，维持体内接收端电压恒定，达到调节发射功率维持体内电压恒定的功能，保证体内电子设备的正常稳定，使整个经皮供能系统更加安全方便。
【专利说明】一种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线能量传输装置，具体是一种应用于植入式电子医疗器械的输 出功率可自适应调控的经皮供能调节系统。
【背景技术】
[0002] 植入式电子医疗设备，如人工肛门括约肌，胃肠道刺激器、心脏起搏器和神经刺激 器等，在治疗各种疾病过程中扮演着越来越重要的角色，并且得到了广泛的临床应用。但 能量供给问题一直是上述设备的"瓶颈"，早期体外拖缆式供电方式因其术后的高感染率和 并发症已被淘汰，对于大功耗移植设备传统电池供电也因体积大寿命短而无法得到广泛应 用。随着经皮能量传输（transcutaneous energy transfer，TET)技术的不断发展，基于 TET供能成为此类设备的最佳选择，其安全性和便捷性不言而喻。
[0003] 经过对现有技术的文献检索发现，传统的经皮能量对体内体外能量线圈的位置要 求非常严格，而使用者的正常运动或者不同个体移植处脂肪肌肉生理结构的差异性会使线 圈之间发生不可避免的相对位移（轴向、径向和角度），从而直接导致线圈间耦合强度的 变化，系统传输能力急剧改变，体内接收电压或大或小，严重影响到体内电子系统的正常工 作。所以传统的TET供能通常会要求相对严格的线圈摆放范围或采用磁贴间接引导体体内 外线圈的对齐固定；也可通过设计阵列式发射线圈牺牲体积来增大有效接触范围。但对于 植入式经皮供能上述方法可操作性不强，无疑限制了其应用的灵活性和方便性。除此之外， 也可通过无线通信实时获取体内电压的输出值，在体外发射端采用某种调控机制补偿位置 变化导致的耦合因数的变化，维持体内接收电压的相对稳定，但额外的无线通信模块和外 围电路无疑增加了系统的复杂性和成本，其调节的响应速度也不能保证。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于经皮能量传输系统的自适应 无线供能调节系统，解决传统TET系统能量线圈需固定相对位置的不便性，使用更加安全、 稳定。
[0005] 为了解决上述技术问题，采用下列技术方案：
[0006] -种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，包括体外能量发射装置 和体内能量接收装置；所述体外能量发射装置和体内能量接收装置之间通过电磁感应方式 耦合，所述体内能量接收装置连接负载以提供电能，其中，所述体外能量发射装置将直流供 电电压逆变为交流，驱动LC谐振回路，产生交变磁场；所述体内能量接收装置通过接收线 圈感应生电，经过整流、滤波和稳压输出满足要求的供电电压，驱动负载。
[0007] 所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其中，所述体外能量 发射装置包括功率调节器、发射器和能量发射线圈；功率调节器产生输入信号，输入信号用 于驱动发射器，将信号通过能量发射线圈传输至体内能量接收装置；
[0008] 所述体内能量接收装置包括能量接收线圈和接收器，所述接收器包含第二谐振匹 配电路和整流滤波稳压电路；第二谐振匹配电路与接收线圈共同组成谐振回路，以补偿电 抗损耗；整流滤波稳压电路将接收的信号进行整流、滤波和稳压处理形成稳定的直流电压， 提供给负载；
[0009] 所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，所述发射器包括能量 逆变电路和谐振匹配电路，逆变电路将直流电能转变为交流电提供给谐振匹配电路，所述 谐振匹配电路与所述能量发射线圈相配合用于无线发射电力。
[0010] 所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其中，功率调节器包 含信号处理电路、信号驱动电路和相位检测电路，相位检测电路输出的信号经由信号处理 电路处理输入信号驱动电路。
[0011] 所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其中，能量发射线圈 包括衬底、磁性凸台；所述磁性凸台固定于所述衬底上，位于所述衬底中心线上，所述磁性 凸台外周沿周向绕制有多层螺旋线圈形成线圈组，所述线圈组的直径与所述衬底的直径相 等。
[0012] 所述用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其中，所述螺旋线圈包 括多股漆包铜线，多股所述漆包铜线绞合而成。
[0013] 根据本发明的第二个方面，基于上述
【发明内容】
，提出的自适应调控方法包括：
[0014] 设定体外发射端初始发送频率（&)作为第一条件。
[0015] 设定发射和接收线圈电感L和调谐电容值C构成第二条件，其中线圈电感值为实 际应用中所设计的线圈电感测量值，调谐电容大小选择原则为C = (2 π f)2/L，为了防止LC 回路完全谐振时回路电流过大而损坏电路，且保证零电压开关（ZVS)逆变，式中f应略小于 f〇。
[0016] 设定体内接收电压期望调节值（％)作为第三条件。
[0017] 在实施方式中，设定线圈间的实际距离范围，在最弱耦合因子情况下（最大距 离），调节发射端供电电压（vs)，使体内接收电压达到期望输出值后固定发射端供电电压， 得到期望电压传输增益比G = %/\。
[0018] 在实施方式中，相位差反馈信号与线圈间耦合因子变化关系由系统数学模型推导 而出。
[0019] 在实施方式中，电压传输方程由无线能量传输电路T型简化模型推导而出。
[0020] 在实施方式中，通过对电压传输方程的求解，可获得发射频率关于耦合因子和电 压传输增益的关系方程，即频率控制方程。
[0021] 本发明的有益效果：
[0022] 本发明基于体外发射器中谐振回路的负载电压电流信号相位差，无需建立无线通 信回路，以数学模型的形式间接反映出线圈位置相对变化导致的耦合因数的变化；并通过 所设计的发射频率控制规则，调节发射频率维持体内输出电压的恒定，相位反馈频率控制 的解决方案表现稳健且高效，使整个系统更加兼容、稳定、安全和人性化。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 参照附图，本文仅通过示例描述本发明。现关于对详细附图的具体的引用，强调： 所示的细节是通过示例、仅出于对本发明优选实施方式的例证性的讨论的目的而被示出， 并且这些细节的呈现为了提出被认为是最有用并易于理解的、本发明原理和概念方面的描 述。基于这种理念，并未尝试超出对本发明基本理解所需地更详细的示出本发明的结构细 节，带有图的说明使本领域技术人员清楚地了解本发明的一些形式是如何在实际中被实施 的。
[0024] 图1为自适应无线供能调节系统的简化框图。
[0025] 图2为自适应无线供能调节系统的简化示意图。
[0026] 图3为示范性实施例中体内负载应用的简化示意图。
[0027] 图4说明供本发明的示范性实施例中使用的能量线圈的结构图。
[0028] 图5是根据本发明的示范性实施例的相位检测电路的简化框图。
[0029] 图6展示自适应无线供能调节系统电路简化模型。
[0030] 图7示出作为耦合因子的函数的相位差的仿真关系曲线。
[0031] 图8是自适应无线供能调节系统传输链路T型电路模型。
[0032] 图9为模拟结果，其中，根据本发明的实施方式电压传输增益作为耦合因子的函 数被画出。
[0033] 图10为作为耦合因子的频率控制拟合曲线；
[0034] 图11是说明根据本发明的示范性实施例的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0035] 除非另外定义，本文所使用的所有的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术 人员通常的理解相同的含义。本文提供的材料、方法和示例仅是示例性的并不意味着有所 限制。
[0036] 本文所用的词"示例的"意为"用作例子、实例或例证"。任何被描述为"示例的" 实施方式不必解释为比其他实施方式优选或有利和/或不必排除来自其他实施方式的特 征的并入。
[0037] 本文所用的词"可选地"意为"在某些实施方式中被提供而在其他实施方式中不被 提供"。本发明的任何【具体实施方式】可包括多种"可选的"特征，除非这些特征相互冲突。
[0038] 本发明的实施方式的方法和/或系统的实现方式可包括手工、自动或结合地进行 或完成所选任务。在此具体包括设定输入电压、接收电压、线圈电感值和谐振电容值的任 务。
[0039] 所属领域的技术人员将进一步了解，结合本文所揭示的示范性实施例而描述的各 种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为 清楚说明硬件与软件的这种可互换性，上文已大致关于其功能性而描述了各种说明性组 件、块、模块、电路及步骤。将所述功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用及强加于整 个系统的设计约束。所属领域的技术人员可针对每一特定应用以不同方式实施所描述功能 性，但所述实施决策不应被解释为导致偏离本发明的示范性实施例的范围。
[0040] 结合本文所述的示范性实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可用经 设计以执行本文所述的功能的通用信号处理器、数字信号处理器（DSP)、专用集成电路 (ASIC)、现场可编程门阵列（FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬 件组件或其任何组合来实施或执行。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，处理器可 为任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例 如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一个或一个以上微处理器与DSP核心的联合，或 任何其它此配置。
[0041] 结合本文所揭示的示范性实施例而描述的方法或算法的步骤可直接体现于 硬件中、由处理器执行的软件模块中，或两者的组合中。软件模块可驻存在随机存取 存储器（RAM)、快闪存储器、只读存储器（ROM)、电可编程ROM (EPROM)、电可擦除可编程 ROM(EEPR0M)、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM，或此项技术中已知的任何其它形式的存储 媒体中。示范性存储媒体耦合到处理器，使得处理器可从存储媒体读取信息，且将信息写入 到存储媒体。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。处理器及存储媒体可驻存在 ASIC中。ASIC可驻存在用户终端中。在替代方案中，处理器和存储媒体可作为离散组件驻 存在用户终端中。
[0042] 术语"无线供能"在本文中用以表示与在不使用物理电导体的情况下从发射器发 射到接收器的电场、磁场、电磁场或其它相关联的任何形式的能量。其后，在理解纯磁场或 纯电场不发射电力的情况下，所有这三种场均将被一般地称为辐射场。这些场必须耦合到 "接收线圈"以实现电力传送。
[0043] 如图1所示，本发明将输入电力100提供至体外能量发射装置101，以产生用于提 供能量传输的场104。体内能量接收装置105耦合到场104,且产生输出电力110,用于供 耦合到输出电力110的负载107储存或消耗。体外能量发射装置101与体内能量接收装置 105之间由于皮下组织、脂肪和肌肉而分开一距离108,在实际应用过程中此距离108的大 小会随着患者的肢体活动发生改变。
[0044] 体外能量发射装置101进一步包括：功率调节器102、发射器103和能量发射线圈 208,功率调节器102产生可用于驱动发射器103的输入信号109,用于提供用于能量发射调 节的装置，且体内能量接收装置105进一步包含能量接收线圈209,用于提供用于能量接收 的装置。发射和接收线圈根据待与之相关联的应用和装置来定大小。注意，根据本发明的 示范性实施例，单个装置（例如，植入式医疗器械）可包含：接收器（例如，接收器106)，其 经配置以从另一无线发射器无线接收电力；以及发射器（例如，发射器103)，其用于将电力 无线发射到装置。
[0045] 在一个示范性实施例中，发射器103和接收器106根据相互谐振关系而配置，且当 接收器106的谐振频率与发射器103的谐振频率非常接近时，发射器103与接收器106之 间的发射损失在接收器106位于场104的"近场"中时为最小。
[0046] 如图2所示，发射器103包含逆变电路202和谐振匹配电路204。功率调节器102 包含信号处理电路200、信号驱动电路201和相位检测电路203。逆变电路202将由信号驱 动电路201输入的直流电压信号转变成正弦交流信号，以驱动发射线圈208产生交变电磁 场，用于提供接收线圈209的耦合发电。逆变电路202可采用全桥逆变、半桥逆变、E级拓扑 放大驱动电路或E级拓扑放大驱动电路实现，但不局限于此。发射器103通过提供导致产生 发射线圈208周围的近场能量的振荡信号来将AC电力提供给发射线圈208。注意，发射器 103可在任何合适频率下操作。作为实例，发射器103可在256kHz的ISM频带下操作。谐 振匹配电路204采用电容补偿发射线圈208损耗，共同构成串联、并联或串并联谐振电路， 提高能量发射效率，调谐电容大小选择原则为C = (2 π f)2/L，其中f为驱动信号210频率， L为发射线圈208电感。发射器103可由离散装置或电路组成，或者可由集成组合件组成。 从发射线圈208输出的示范性AC电力可小于1W或大约为十几瓦，这取决于应用。信号处 理电路200主要实现两大功能，一是对相位检测电路203输出信号采集分析，采集相位检测 电路203输出电压信号，可使用电流传感器采集负载电流信号，如环形电流互感器；根据自 适应调节法则，实时调整驱动信号210频率大小；二是产生符合要求的驱动信号210 (例如 单路或双路带死区的PWM信号）。对相位反馈电路的输出值进行AD转换，以此值为依据，根 据频率控制算法调整逆变电路PWM驱动信号频率。驱动信号210也可由专用可调信号发生 器芯片产生，或直接使用内置波形发生器的控制器实现。信号驱动电路201起到电气隔离 作用，将数字电路（例如信号处理电路200)和模拟电路（例如逆变电路202)有效隔离，将 由信号处理电路200输出的驱动信号210经隔离放大后控制后续逆变电路各开关的工作状 态。
[0047] 接收器106包含谐振匹配电路205和整流滤波稳压电路206。谐振匹配电路205 与接收线圈209共同组成谐振回路（例如串联、并联或串并联谐振电路），补偿电抗损耗提 高接收效率，调谐电容选择原则与发射谐振电容相同。整流滤波稳压电路206均为常规电 路。在本实施例中，接收端谐振模式与发射端谐振模式共同组成四种模式，即体外谐振体内 谐振、体外谐振体内失调、体外失调体内谐振和体外失调体内失调。在体外谐振体内谐振的 情况下，传输效率最佳。处于交变电磁场作用下的接收线圈209产生感应电动势，经谐振匹 配电路205补偿放大后，产生的感应电流输入整流、滤波和稳压模块206进行处理形成稳定 的直流电压，作为提供给植入体内负载107的能量供给。整流、滤波和稳压模块206包含AC 到DC转换器，且还可包含DC到DC转换器。AC到DC转换器将接收线圈209处接收到的AC 能量信号整流为非交流电力，而DC到DC转换器将经整流的AC能量信号转换为与负载107 兼容的能量电位（例如，电压）。预期各种AC到DC转换器，包含部分和完全整流器、调节 器、桥接器、倍频器以及线性和切换转换器。
[0048] 如图3所示，负载107进一步包含充电装置300、能量存储装置301 (例如电池）和 电子应用装置302。充电装置300可包含任何已知且合适的可充电装置。根据一个实例， 电子应用装置302可包括嵌入式装置，例如医疗装置、传感器或其组合。仅举例来说，应用 负载302可包括传感器，其经配置以用于嵌入（例如，植入、摄入、附着）在（仅例如）活体 (例如，人类）或其它结构内或上面。根据一个示范性实施例，电子应用装置302可经配置 以发射指示能量存储装置301所储存电力状态的信标信号。负载107可以不包含充电装置 300和能量存储装置301，有整理滤波稳压电路206输出的直流电压可直接供给电子应用装 置302。当包含充电装置300时，根据一实施例，其可同时负载能量存储装置301和电子应 用装置302, 一方面起到电气隔离作用；另一方面可保证在充电时，工作电流的有效分配， 满足电子应用装置302正常工作的能量需求的前提下，保证对能量存储装置301的充电。
[0049] 如图4所示，能量发射线圈208包括衬底400、磁性凸台401 ;衬底400为铁氧体材 料加工而成的磁环，所述磁性凸台固定于所述衬底上，位于所述衬底中心线上，所述磁性凸 台外周沿周向绕制有多层螺旋线圈形成线圈组（即绕制于铁氧体磁环上的二维平面多层 螺旋线圈402)，所述线圈组的直径与所述衬底的直径相等。
[0050] 所述的发射线圈208由铁氧体磁环400作为衬底、磁性凸台401、绕制于铁氧体磁 环上的二维平面多层螺旋线圈402组成。所述螺旋线圈包括多股漆包铜线，多股所述漆包 铜线绞合而成，每匝漆包铜线可由不同股数不同线径的单根Litz线组成。单层线圈按照中 心磁性凸台401的直径大小依次往外围绕制，绕至磁环外径为止，多层线圈则为单层线圈 按照串联方式叠层累加。接收线圈209结构与发射线圈208类似。调谐接收线圈209以在 与发射线圈208相同的频率或指定频率范围内谐振。接收线圈209可与发射线圈208类 似地定尺寸，衬底300的外径、内径和厚度；磁性凸台401的直径和厚度尺寸；以及线圈层 数并不唯一，可根据具体情况设置。本实施例中，线圈尺寸建议值：体外线圈外径为60_， 厚5m，磁性凸台直径8mm厚3mm ;体内线圈外径35mm，厚1mm，磁性凸台直径5mm，厚1mm ;线 圈层数为3层。所述的衬底400和磁性凸台401的材料建议选用铁氧体材料，但不局限于 此，选材原则为高磁导率低电导率的线性磁性材料。线圈所用litz绞线由多股不同线径单 根litz线编织而成，其线径选用原则如下
【权利要求】
1. 一种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，包括体外能量发射装置和 体内能量接收装置；所述体外能量发射装置和体内能量接收装置之间通过电磁感应方式耦 合，所述体内能量接收装置连接负载以提供电能，其特征在于，所述体外能量发射装置将直 流供电电压逆变为交流，驱动LC谐振回路，产生交变磁场；所述体内能量接收装置通过接 收线圈感应生电，经过整流、滤波和稳压输出满足要求的供电电压，驱动负载。
2. 根据权利要求1所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其特征 在于，所述体外能量发射装置包括功率调节器、发射器和能量发射线圈；功率调节器产生输 入信号，输入信号用于驱动发射器，将信号通过能量发射线圈传输至体内能量接收装置； 所述体内能量接收装置包括能量接收线圈和接收器，所述接收器包含第二谐振匹配电 路和整流、滤波、稳压电路；第二谐振匹配电路与接收线圈共同组成谐振回路，以补偿电抗 损耗；整流滤波稳压电路将接收的信号进行整流、滤波和稳压处理形成稳定的直流电压，提 供给负载。
3. 根据权利要求2所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其特征 在于，所述发射器包括能量逆变电路和谐振匹配电路，逆变电路将直流电能转变为交流电 提供给谐振匹配电路，所述谐振匹配电路与所述能量发射线圈相配合用于无线发射电力。
4. 根据权利要求2、3所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其特 征在于，功率调节器包含信号处理电路、信号驱动电路和相位检测电路，相位检测电路输出 的信号经由信号处理电路处理输入信号驱动电路。
5. 根据权利要求2所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其特征 在于，能量发射线圈包括衬底、磁性凸台；所述磁性凸台固定于所述衬底上，位于所述衬底 中心线上，所述磁性凸台外周沿周向绕制有多层螺旋线圈形成线圈组，所述线圈组的直径 与所述衬底的直径相等。
6. 如权利要求3所述用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其特征在 于，所述螺旋线圈包括多股漆包铜线，多股所述漆包铜线绞合而成。
【文档编号】H02J17/00GK104283333SQ201410510726
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】克磊 申请人:海龙核材科技（江苏）有限公司