用于植入式医疗设备的DC‑DC转换器的制作方法

本专利申请总体涉及医疗电子，并且更具体地涉及一种用于植入式医疗设备的DC-DC转换器。

背景技术：

植入式医疗设备在现代医疗中正得到日益广泛的应用。植入式医疗设备由于其独特的应用，一般要求对其供电的电源体积小，功耗低，供电效率高。不仅如此，植入式医疗设备往往具有多个工作模式，如睡眠模式、测量模式、数据传输模式等等。在每种不同的工作模式下，同一植入式医疗设备对其供电电源一般会有不同的要求。

DC-DC转换器是植入式医疗设备供电系统中的重要组成部分。现有的DC-DC转换器，往往不能很好地满足植入式医疗设备在不同工作模式下对输出电压和负载在较大范围内的不同要求。而且，现有的DC-DC转换器，为了提高可配置性，其电路往往较为复杂，芯片覆盖面积较大，功耗较高，系统的工作效率较低，因而不适合被应用于对植入式医疗设备供电。

技术实现要素：

本专利申请提供一种用于植入式医疗设备的DC-DC转换器。在一个实施例中，一种用于植入式医疗设备的DC-DC转换器包括：开关电容转换器内核，其包括多个功率三极管开关，用于接收一输入电压，并输出一输出电压；开关驱动器与所述开关电容转换器内核相连，用于打开所述开关电容转换器内核中相应的功率三极管开关，为一连接所述输出电压的负载供电；开关信号路由器与所述开关驱动器相连, 用于选择性地传递所述开关驱动器需要的信号；增益选择解码器与所述开关信号路由器相连；增益控制器与所述增益选择解码器相连，所述增益选择解码器用于解码所述增益控制器发出的增益选择的指令；输入调节器，与所述增益控制器相连，接收所述输入电压及一参考电压，用于指示所述输入电压与所述参考电压的相对关系，并将该关系传输至所述增益控制器；输出调节器，与所述增益控制器相连，接收所述输出电压及所述参考电压，用于指示所述输出电压与所述参考电压的相对关系，并将该关系传输至所述增益控制器；时钟发生器，与所述开关信号路由器、所述增益控制器及所述输出调节器分别相连；以及计数器，与所述增益控制器相连。所述输入调节器包括适应性数模转换器用于根据所述输入电压和所述参考电压确定所需的转换增益比；以及控制逻辑电路与所述适应性数模转换器相连，用于控制所述适应性数模转换器。所述输出调节器包括多个比较器，以及控制逻辑电路与所述比较器相连。所述增益控制器用于根据所述输入调节器和所述输出调节器提供的信息，控制所述开关电容转换器内核所需的转换增益比。所述转换增益比为所述输出电压与所述输入电压的比值。当所述输出电压位于所述参考电压以下一预设阈值范围内时，所述增益控制器被关闭，所述开关电容转换器内核的开关频率按DFS (Discrete-frequency Scaling) 算法做离散幅度的调整，使所述输出电压逐渐接近所述参考电压。当所述输出电压高于或等于所述参考电压时，所述开关电容转换器内核停止其开关的工作。当所述输出电压低于所述参考电压时，所述开关电容转换器内核重启其开关的工作。

所述开关电容转换器内核可以包括多个功率三极管开关及泵电容器，其提供的所述转换增益比为1/2, 2/3, 1, 3/2及2。所述输入调节器的所述适应性数模转换器可以包含比较器及多个锁存器。所述锁存器与所述比较器相连，用于根据所述比较器的结果产生预设数位的数据。该数据描述所述参考电压与所述输入电压的比值，并用于设定所需的转换增益比。

所述增益控制器可以包含一数字电路，当所述输出电压位于所述参考电压以下的所述预设阈值范围以下时，该数字电路通过调整所述转换增益比，较大幅度地调正所述输出电压。所述计数器可以用于每次当所述开关电容转换器内核的开关频率发生变化后，计数一预设数量的时钟周期，以使得所述输出电压有充分的时间对该变化做出相应的反应。

所述时钟发生器可以包括比较器；逻辑电路与所述比较器相连并驱动所述比较器；以及时钟信号发生器与所述逻辑电路相连，并输出两个时钟信号。该两个时钟信号可以被传输至所述开关信号路由器及所述开关驱动器，并进而控制所述开关电容转换器内核。

在另一个实施例中，一种用于植入式医疗设备的DC-DC转换器包括：开关电容转换器内核，其包括多个功率三极管开关，用于接收一输入电压，并输出一输出电压；开关驱动器与所述开关电容转换器内核相连，用于打开所述开关电容转换器内核中相应的功率三极管开关，为一连接所述输出电压的负载供电；开关信号路由器与所述开关驱动器相连, 用于选择性地传递所述开关驱动器需要的信号；增益选择解码器与所述开关信号路由器相连；增益控制器与所述增益选择解码器相连，所述增益选择解码器用于解码所述增益控制器发出的增益选择的指令；输入调节器，与所述增益控制器相连，接收所述输入电压及一参考电压，用于指示所述输入电压与所述参考电压的相对关系，并将该关系传输至所述增益控制器；输出调节器，与所述增益控制器相连，接收所述输出电压及所述参考电压，用于指示所述输出电压与所述参考电压的相对关系，并将该关系传输至所述增益控制器；时钟发生器，与所述开关信号路由器、所述增益控制器及所述输出调节器分别相连；以及计数器，与所述增益控制器相连。所述输入调节器包括适应性数模转换器用于根据所述输入电压和所述参考电压确定所需的转换增益比；以及控制逻辑电路与所述适应性数模转换器相连，用于控制所述适应性数模转换器。所述输出调节器包括多个比较器，以及控制逻辑电路与所述比较器相连。所述增益控制器用于根据所述输入调节器和所述输出调节器提供的信息，控制所述开关电容转换器内核所需的转换增益比，所述转换增益比为所述输出电压与所述输入电压的比值。所述增益控制器包含一数字电路，当所述输出电压位于所述参考电压上下的一预设阈值范围以外时，该数字电路通过调整所述转换增益比，较大幅度地调正所述输出电压。当所述输出电压位于所述参考电压上下的所述预设阈值范围内时，所述增益控制器被关闭，所述开关电容转换器内核的开关频率按DFS (Discrete-frequency Scaling) 算法做离散幅度的调整，使所述输出电压逐渐接近所述参考电压。

所述开关电容转换器内核可以包括多个功率三极管开关及泵电容器，其提供的所述转换增益比为1/2, 2/3, 1, 3/2及2。所述输入调节器的所述适应性数模转换器可以包含比较器及多个锁存器。所述锁存器与所述比较器相连，用于根据所述比较器的结果产生预设数位的数据，该数据描述所述参考电压与所述输入电压的比值，并用于设定所需的转换增益比。

所述时钟发生器可以包括比较器；逻辑电路与所述比较器相连并驱动所述比较器；以及时钟信号发生器与所述逻辑电路相连，并输出两个时钟信号。该两个时钟信号可以被传输至所述开关信号路由器及所述开关驱动器，并进而控制所述开关电容转换器内核。

附图说明

图1是根据本专利申请一个实施例的用于植入式医疗设备的DC-DC转换器的结构框图；

图2A是图1所示DC-DC转换器中输入调节器的结构框图；

图2B是图1所示DC-DC转换器中输出调节器的结构框图；

图3是图1所示DC-DC转换器中时钟发生器的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本专利申请的用于植入式医疗设备的DC-DC转换器进行详细说明。

图1是根据本专利申请一个实施例的用于植入式医疗设备的DC-DC转换器的结构框图。参见图1，该用于植入式医疗设备的DC-DC转换器包括：开关电容转换器内核101，其包括多个功率三极管开关，用于接收一输入电压，并输出一输出电压；开关驱动器103与所述开关电容转换器内核101相连，用于打开所述开关电容转换器内核101中相应的功率三极管开关，为一连接所述输出电压的负载104供电；开关信号路由器105与所述开关驱动器103相连,用于选择性地传递所述开关驱动器103需要的信号；增益选择解码器107与所述开关信号路由器105相连；增益控制器109与所述增益选择解码器107相连，所述增益选择解码器107用于解码所述增益控制器109发出的增益选择的指令；输入调节器111，与所述增益控制器109相连，接收所述输入电压及一参考电压，用于指示所述输入电压与所述参考电压的相对关系，并将该关系传输至所述增益控制器109；输出调节器113，与所述增益控制器109相连，接收所述输出电压及所述参考电压，用于指示所述输出电压与所述参考电压的相对关系，并将该关系传输至所述增益控制器109；时钟发生器115，与所述开关信号路由器105、所述增益控制器109及所述输出调节器113分别相连；以及计数器117，与所述增益控制器109相连。

图2A是图1所示DC-DC转换器中输入调节器的结构框图。参见图2A，在本实施例中，所述输入调节器111包括适应性数模转换器201用于根据所述输入电压和所述参考电压确定所需的转换增益比；以及控制逻辑电路203与所述适应性数模转换器201相连，用于控制所述适应性数模转换器201。参见图1和图2A，在本实施例中，所述输入调节器111中的所述适应性数模转换器201包含比较器204及多个锁存器205。所述锁存器205与所述比较器204相连，用于根据比较器204的结果产生预设数位的数据。本实施例中，该预设数位为3位。该3位数据描述所述参考电压与所述输入电压的比值，并用于设定所需的转换增益比。当所述输入电压发生微小变化时，所述锁存器205产生的该3位数据保持不变；而当所述输入电压发生较大变化时，所述锁存器205产生的该3位数据发生变化，从而改变所述转换增益比。

图2B是图1所示DC-DC转换器中输出调节器的结构框图。参见图2B，在本实施例中，所述输出调节器113包括多个比较器211，以及控制逻辑电路213与所述比较器相连211。在所述输出调节器中113，所述比较器211包括一读出放大器。读出放大器的使用有助于进一步降低系统的功耗。

参见图1，所述增益控制器109根据所述输入调节器111和所述输出调节器113提供的信息，控制所述开关电容转换器内核101所需的转换增益比，所述转换增益比为所述输出电压与所述输入电压的比值。

在本实施例中，当所述输出电压足够接近所述参考电压时，所述增益控制器109被关闭，所述开关电容转换器内核101的开关频率按DFS (Discrete-frequency Scaling) 算法做离散幅度的调整，使所述输出电压逐渐接近所述参考电压，实现对输出电压的精细调节。当所述输出电压达到所述参考电压时，所述开关电容转换器内核101停止其开关的工作。当所述输出电压低于所述参考电压时，所述开关电容转换器101内核重启其开关的工作。

更具体地，参见图1，所述开关电容转换器内核101包括多个功率三极管开关，以及泵电容器。所述转换增益比可以大于或小于1。本实施例中，所述转换增益比可以为1/2, 2/3, 1, 3/2及2。所述增益控制器109包含一数字电路。当所述输出电压在（所述参考电压±一预设阈值）范围外时，该数字电路通过调整所述转换增益比，较大幅度地调正所述输出电压，通过适应性功率控制，实现对输出电压的粗略调节。

当所述输出电压在（所述参考电压±一预设阈值）范围内时，所述增益控制器109被关闭，所述开关电容转换器内核101的开关频率按DFS (Discrete-frequency Scaling) 算法做离散幅度的调整，实现对输出电压的精细调节。所述计数器117用于每次当所述开关电容转换器内核101的开关频率发生变化后，计数一预设数量的时钟周期，以使得所述输出电压有充分的时间对该变化做出相应的反应。在本实施中，所述预设阈值小于或等于所述参考电压的10%。

图3是图1所示DC-DC转换器中时钟发生器的结构框图。参见图3，所述时钟发生器包括比较器301；逻辑电路303与所述比较器301相连并驱动所述比较器301；以及时钟信号发生器305与所述逻辑电路303相连，并输出两个时钟信号A和B。该两个时钟信号A和B传输至所述开关信号路由器105及所述开关驱动器103，并进而控制所述开关电容转换器内核101。本实施例中，所述比较器301的输入为所述输出电压与所述参考电压。

在另一个实施例中，当所述输出电压大于所述参考电压时，所述开关驱动器103控制所述开关电容转换器内核101中的功率三极管停止开关工作。该设计使得系统的功耗进一步得以降低，并且限制了所述输出电压的过冲。

在以上实施例中，所述DC-DC转换器的芯片覆盖区域小，电路复杂程度低，可配置性强，并且使用了对输出电压的粗略调节(适应性功率控制)和精细调节(DFS)相结合的控制方法，使得该DC-DC转换器可以满足很大范围的输出电压及负载要求，尤其适用于对植入式医疗设备供电。同时，当所述输出电压大于所述参考电压时，所述开关驱动器可以控制所述开关电容转换器内核中的功率三极管停止开关工作，不但限制了输出电压的过冲，而且进一步减少了功率的损耗，从而提高了系统的工作效率。

以上所述，仅是本专利申请较佳实施例而已，并非对本专利申请作任何形式上的限制，虽然本专利申请以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本专利申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本专利申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本专利申请技术方案内容，依据本专利申请技术对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本专利申请技术方案的范围内。