一种植入式自适应无线电能传输系统的制作方法

本发明涉及无线电能传输系统领域，具体是一种植入式自适应无线电能传输系统。

背景技术：

电子技术、制造技术和生物医疗技术的不断进步，促使人类将医学研究与临床实践推到一个新的高度。植入式医疗设备是电子制造技术与医学的相结合，通过外科手术等方式植入体内后，可以用于长期监测体内生理参数的变化，实现在生命体自然生理状态下的实时、精确测量和控制，协助诊断、治疗某些疾病，甚至代替某些功能衰弱或丧失的器官，其在生物研究、医学诊断等方面的作用日益凸显。随着人们生活水平的提高，其应用也日益普及，如心脏起搏器、人工耳蜗、人工视网膜、胶囊内窥镜等。

而对于植入式设备，能量的稳定、高效及安全供给是甚为关键的问题。传统的办法是在植入式设备中集成一次性高能量密度电池，如胶囊内窥镜常采用大电容的锂电池、镍镉电池来供电。尽管现代科技的发展使得电池的容量不断扩大，但对于大功率的植入设备，如人工心脏等，传统的植入电池方式已无法提供长期的电能。有限的电池寿命意味着电池的周期性更替，这昂贵的手术费无疑加重了患者的经济负担，而植入电池的体积也阻碍了植入式医疗设备的微型化步伐。

无线能量传输能够透过皮肤将能量源源不断地供应给体内的植入式电子设备，解决了需要更换电池的问题，同时，其输出功率也能满足植入式医疗系统的要求，因此被越来越多的植入式医疗电子系统采用。当前无线能量传输的基础是近场互感耦合理论，但传统的互感耦合结构存在传输效率随距离增大迅速下降的缺点，所接收恢复的电源能量随距离变化存在明显波动，容易导致生物体体组织损伤，而且由于接收的过量能量会使得人体温度升高，甚至于伤害人体组织，过量的电磁辐射也会引起人体的不适，且实现上大量的分立元件也增加了植入体内的难度。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种既能满足植入式设备不间断的供电需求，还使能量的传输具有可控性，避免过量能量的传输的植入式自适应无线电能传输系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种植入式自适应无线电能传输系统，包括体外能量发射模块、体内能量收集模块以及自适应反馈环路；

所述体外能量发射模块包括功率放大电路、信号源及驱动、发射线圈；所述功率放大电路采用D类，且为电压开关型；

所述馈环路主要包括体内信息采集、体内体外无线通信、体外能量控制；整个反馈结构由体内反馈和系统反馈两个环路构成；

所述体内能量收集模块包括接收线圈、耦合电容、全波整流滤波、PWM调制模块以及LSK调制电路。

进一步的，还设置有中继线圈，与发射线圈和接收线圈构成三线圈耦合的形式，保证中远距离体外能量发射模块与体内能量收集模块的能量传递。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种植入式自适应无线电能传输系统，既能满足植入式设备不间断的供电需求，还使能量的传输具有可控性，避免过量能量的传输。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明植入式自适应无线电能传输系统基本框图。

图2为本发明D类放大器结构示意图。

图3为本发明三线圈耦合示意图。

图4为自适应反馈环路基本框图。

图5为本发明体内能量收集模块示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-5所示，本发明公开一种植入式自适应无线电能传输系统，其特征在于，包括体外能量发射模块、体内能量收集模块以及自适应反馈环路；

所述体外能量发射模块包括功率放大电路、信号源及驱动、发射线圈；所述功率放大电路采用D类，且为电压开关型；

所述自适应反馈环路主要包括体内信息采集、体内体外无线通信、体外能量控制；整个反馈结构由体内反馈和系统反馈两个环路构成；

所述体内能量收集模块包括接收线圈、耦合电容、全波整流滤波、PWM调制模块以及LSK调制电路。

还设置有中继线圈，所述中继线圈与发射线圈、接收线圈三线圈耦合，保证中远距离体外能量发射模块与体内能量收集模块的能量传递。

以下将详细阐述各主要模块的设计及工作机理

1、功率放大电路

功率放大电路是体外发射模块的核心，它的结构在很大程度上影响着整个无线能量传输系统的效率及传输特性，同时也决定着发射模块中驱动电路的选择。目前，在无线能量传输系统中，功率放大电路一般采用D类或者E类功率放大电路来实现，本系统采用D类。

虽然相比D类放大器，E类放大器被更广泛地应用在无线能量传输系统中，尤其在无线充电等这类发射与接收电路位置相对固定的应用场合下，E类确实有相对D类放大器更高的效率，但在植入式系统的应用上，本发明采用D类功率放大器的结构更适合。

首先，在植入式系统的应用环境下，接收电路常处于运动状态或负载瞬时变化，此时接收电路反射到发射电路的负载会即时变化，而E类放大器的最佳工作效率是需要在驱动信号占空比、电容和负载参数一一对应的情况下才能实现的，否则系统的效率下降很快。D类放大器的工作条件则只与开关管的参数相关，并不随负载变化而变化，只要选择好合适的开关管，便可以保证较高的效率。

其次，从“归一化功率输出能力”上对选材的难度的影响出发。“归一化功率输出能力”，即输出功率与器件最大电压电流乘积的比。在相同的输出功率下，E类放大器结构的开关管将需要承受3倍于D类结构的电学应力。

再次，从反馈控制的实现方式上来看，E类放大器结构如要实现发射能量的控制，需要在负载变化时即时地调整电源电压、回路电容及驱动信号占空比，以实现调节发射功率时系统仍工作在最佳条件下，而D类放大器只需要调整电源电压便可以实现反馈控制，大大简化了反馈回路的复杂度。

最后，E类放大器其相对D类放大器的一个优势便是其开关速度快，但在植入式无线能量传输系统中，安全性是必须考虑的问题，过高的频率会增强人体对辐射的吸收从而伤及人体，这便限制了开关频率的上限，而在被限制的开关频率范围内，D类放大器结构可以满足要求。

电压开关型D类放大器的结构。两个开关管串联在电源和地之间，并在激励源信号的控制下轮流导通，使得A点产生方波信号，而由于负载回路谐振在激励源信号的频率上，最终流入负载的电流为正弦电流。两个管子都工作在开关状态，当其导通时，漏源电流大，但漏源两端的电压几乎为零；当管子断开时，虽然其漏源电压的电压接近电源电压，但没有电流流过，故其开关功耗很小，理论上为零。

基于此，本发明所设计的无线能量传输系统，其体外发射模块的功率放大器选择D类放大器结构。最终体外模块的功率放大器及其驱动电路如图所示，D类放大器为电压开关型，因使用上下管结构，驱动电路采用变压器耦合的方式，变压器耦合既可以起到隔离的作用，避免两部分的相互干扰，其双极性的驱动电压也可以加快电荷的抽取速度，弥补D类放大器开关速度不足的劣势。而为了减少两个管子同时导通的几率和提高驱动力，驱动电路采用两相不交叠信号作为驱动源，再经由互补推挽结构驱动上述提及的变压器耦合回路。

2、三线圈耦合结构

传统的互感耦合传输方式只能在线圈最大尺寸的范围保证高效传输，在中远距离上的传输效率随距离的增大迅速下降。强磁耦合理论的出现解决了这方面的问题，它可以在数倍于线圈最大尺寸的范围内实现高效的能量传输，但它需要一对高Q值的共振器，且在高效率的情况下负载的接收功率很低。

强磁耦合结构所构成的“强磁耦合区”能保证能量的高效传输。而从电路的角度分析，是因为共振器具有高Q值，所以Q值对系统传输效率的增强作用。

本发明在互感耦合两线圈结构的基础上，加入一个高Q值的中继线圈，减弱负载对耦合线圈品质因数的影响，这可能改善系统在中远距离上的传输效率，即形成一个三线圈结构。

耦合结构是整个无线能量传输系统的关键部分，它决定着整个系统的传输效率。在考虑实际植入式环境的约束及人体安全性的基础上，确定工作频率、线圈选材、线圈的半径及匝数等参数。

3、自适应反馈环路

自适应反馈环路是无线能量传输系统的重要组成部分，没有反馈控制，过量的能量传输可能导致人体组织的损伤。反馈环路主要由体内信息采集、体内体外无线通信、体外能量控制等部分组成。整个反馈结构由体内反馈和系统反馈两个环路构成。体内反馈环路通过采样恢复出来的电压从而快速地控制负载上的电流，缺点是调节范围有限。系统反馈环路通过采样体内恢复出来的电压，传输到体外，再经MCU和数控可调电源对发射能量进行控制，其调节范围广，但响应速度慢。两个反馈环路相结合，便可以实现快速而大范围的反馈控制，且不需要ADC等复杂电路。

4、体内能量收集电路

基于前面的分析，体内能量收集模块主要包括了接收线圈、耦合电容、全波整流滤波、PWM调制模块以及LSK调制电路，而为了给负载提供稳定的电源供给，整流滤波的电压还需要通过一个线性稳压器再给负载供电。

植入式的环境限制了体内电路的面积，如果系统采用分立元件来搭建，则其体积和功耗都过于庞大，这增加了植入的难度。因此，本发明决定利用集成电路设计一个囊括线性稳压源、PWM调制、带隙基准等模块的能量恢复及电源管理芯片，实现无线能量传输体内系统的单片集成化。整个三线圈自适应无线能量传输系统的系统框架，包括功率放大电路、三线圈结构、自适应反馈环路以及体内能量收集与电源恢复电路。基于植入式应用环境的考虑，设计了以D类放大器为核心的驱动及功率放大电路，大大降低了自适应反馈环路的复杂度，同时其较低的电学应力也提高了系统的安全性。同时为了降低趋肤效应和邻近效应的影响，本章采用利兹线来制作耦合结构中的线圈，其绕制方式能增大线圈的有效截面积，降低了线圈的交流阻抗，这进一步提升了系统的传输效率。为了提高能量传输的安全性，提出了一种结合PWM和LSK的反馈控制技术，在不大幅度增加体内电路复杂度的基础上，实现对能量的快速、大范围反馈控制。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。