一種植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，該裝置包括高頻激勵源（10）、發(fā)射單元（20）、接收單元（30）、能量轉(zhuǎn)換單元（40）和可充電電池；通過發(fā)射單元（20）與接收單元（30）的諧振電路的磁耦合諧振，實現(xiàn)電能從發(fā)射側(cè)到接收側(cè)的無線傳輸。能量轉(zhuǎn)換單元（40）對接收單元（30）的電能進行平滑處理，經(jīng)由電池管理芯片，得到滿足心臟起搏器可充電電池充電所需要的電能。其中，高頻激勵源（10）和發(fā)射單元（20）屬于體外部件；接收單元（30）和能量轉(zhuǎn)換單元（40）屬于體內(nèi)部件。該裝置通過無線方式對植入式心臟起搏器的可充電電池進行充電，從而延長電池的使用壽命，提高植入式心臟起搏器的使用期限。
【專利說明】一種植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于植入式心臟起搏器的可充電電池的充電裝置，更特別地說，是指一種植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)患者心臟興奮的自律性受到破壞或心肌細(xì)胞的功能出現(xiàn)障礙時，會導(dǎo)致供血功能失調(diào)，甚至危及生命；這時患者就需要安裝心臟起博器。心臟起博器就是利用一定大小的脈沖電流來刺激心臟，使心臟按一定頻率收縮和舒張，達(dá)到心臟起博的目的。現(xiàn)有的心臟起博器包括脈沖發(fā)生器、與心臟組織相接觸的刺激電極以及電池，脈沖發(fā)生器、與心臟組織相接觸的刺激電極以及電池通過絕緣導(dǎo)線依次相連接。這種心臟起博器能夠識別患者自身心跳的能力，當(dāng)患者沒有心跳時，心臟起膊器發(fā)出有規(guī)律的電脈沖，使心臟保持跳動。
[0003]在申請?zhí)朇N201020133126.3，申請日2010年3月17日，實用新型名稱為一種心臟起博器，該文獻(xiàn)中公開了一種包括有脈沖發(fā)生器、與心臟組織相接觸的刺激電極以及電池組成的心臟起博器，脈沖發(fā)生器、與心臟組織相接觸的刺激電極以及電池通過絕緣導(dǎo)線依次相連接。
[0004]在申請?zhí)朇N200610042605.2，申請日2006年3月31日，發(fā)明名稱為一種植入式心臟起搏器遙測裝置及雙向數(shù)據(jù)傳輸方法。該文獻(xiàn)中公開了:以心臟起搏器為代表的有源植入式醫(yī)療裝置己經(jīng)有幾十年的應(yīng)用歷史?，F(xiàn)代的植入式心臟起搏器治療系統(tǒng)一般由兩部分構(gòu)成:一部分是植入體內(nèi)的微電子測控裝置，包括相應(yīng)的導(dǎo)管電極和傳感器構(gòu)成心電的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通常稱為脈沖發(fā)生器；另一部分是置于體外的用射頻通信方式對體內(nèi)脈沖發(fā)生器進行程控和接收遙測數(shù)據(jù)的裝置，通常稱為體外程控儀。
[0005]植入體內(nèi)的脈沖發(fā)生器連同供電電池一起密封在一個金屬殼內(nèi)，一般要求工作壽命為5?10年。由于體積、重量和供電電池容量的限制，因而對脈沖發(fā)生器的正常工作電流及與體外程控儀通訊時的峰值電流都有較苛刻的限制。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代起搏器的測量和診斷功能越來越強大，相應(yīng)地，從植入的起搏器向體外程控儀發(fā)送的數(shù)據(jù)量也越來越大。由于密封金屬欽殼對射頻的吸收作用，起搏器和體外程控儀通信時的信號衰減很大，因此起搏器向體外程控儀發(fā)送數(shù)據(jù)時的工作電流就比正常工作時大得多。例如，在使用起搏器的腔內(nèi)心電圖測量功能時，起搏器在實時采集腔內(nèi)心電圖數(shù)據(jù)的同時，要同步地向體外程控儀發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，這時起搏器的工作電流會從正常起搏時的10?20微安變?yōu)镮?2毫安。如果靠內(nèi)部電池供電，經(jīng)常使用這類遙測功能會顯著縮短起搏器的工作壽命。
[0006]目前，人工心臟起搏器廣泛采用一次性鋰碘電池供電，一旦電池電量不足就必須通過外科手術(shù)更換，增加了患者手術(shù)的痛苦和風(fēng)險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了實現(xiàn)長壽命的使用植入式心臟起搏器，本發(fā)明采用磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)，研制了一種適用于植入式心臟起搏器的無線充電裝置。該裝置通過發(fā)射單元與接收單元的諧振電路的磁耦合諧振，實現(xiàn)發(fā)射側(cè)到接收側(cè)電能的無線傳輸。該裝置通過磁耦合諧振無線電能傳輸方式對植入式心臟起搏器的可充電電池進行充電，從而延長電池的使用壽命。
[0008]本發(fā)明的一種植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，該裝置包括有高頻激勵源(10)、發(fā)射單元(20)、接收單元(30)、能量轉(zhuǎn)換單元(40)和可充電電池；其中，高頻激勵源(10)和發(fā)射單元(20)屬于體外部件；接收單元(30)和能量轉(zhuǎn)換單元(40)屬于體內(nèi)部件；發(fā)射單元(20)與接收單元(30)采用磁耦合諧振無線電能傳輸方式對植入式心臟起搏器的可充電電池進行充電；
[0009]高頻激勵源(10)用于將輸入的工頻交流電經(jīng)變壓、整流濾波、逆變后輸出雙極性方波電壓信號，該方波電壓信號能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)射單元(20)的電壓的穩(wěn)定供給；
[0010]發(fā)射單元(20 )將接收到的雙極性方波電壓信號用于產(chǎn)生交變磁場，并耦合到接收單元(30)的接收線圈上；
[0011]接收單元(30)用于感應(yīng)發(fā)射單元(20)的交變磁場，并在接收線圈中感應(yīng)后輸出高頻電壓信號；
[0012]能量轉(zhuǎn)換單元(40 )用于連接接收單元(30 )和植入式心臟起搏器的可充電電池兩部分，對接收單元(30)輸出的高頻電壓信號進行平滑處理，從而轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，經(jīng)由電池管理芯片，對心臟起搏器可充電電池進行充電。
[0013]本發(fā)明植入式心臟起搏器磁耦合諧振無線充電裝置的優(yōu)點在于:
[0014]①本發(fā)明采用的無線傳輸技術(shù)是磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)。磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)能夠滿足植入式心臟起搏器可充電電池的充電功率要求，傳輸效率高且電磁輻射小。
[0015]②發(fā)射線圈采用平面內(nèi)的螺旋方式布局，縮小裝置體積，且電磁輻射?。唤邮站€圈采用覆銅技術(shù)，在PCB基板上制作出螺旋線圈，體積利于人體植入且線圈自感穩(wěn)定性好。
[0016]③高頻激勵源采用占空比為0.74的雙極性波，基波有效成分高達(dá)96.05%。雙極性方波沒有直流成份，開關(guān)損耗較小，可直接利用電力電子開關(guān)器件實現(xiàn)。
[0017]④能量轉(zhuǎn)換單元連接了接收單元和植入式心臟起搏器的可充電電池兩部分，對接收單元的高頻交流電進行平滑處理，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，經(jīng)由電池管理芯片，得到滿足心臟起搏器電池充電所需要的電壓。接收側(cè)的經(jīng)整流、濾波等對適用于心臟起搏器的可充電電池進行充電。
[0018]⑤本發(fā)明中所述的磁耦合諧振無線充電裝置，將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于植入式人工心臟起搏器，能夠在其電池電量不足時，及時通過無線方式進行充電，從而延長電池的使用壽命，免除患者手術(shù)更換一次性心臟起搏器的痛苦和風(fēng)險。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明磁耦合諧振無線充電裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0020]圖2是本發(fā)明高頻激勵源的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021]圖2A是本發(fā)明高頻激勵源的電路原理圖。
[0022]圖3是本發(fā)明發(fā)射單元的外部結(jié)構(gòu)圖。[0023]圖3A是本發(fā)明發(fā)射單元的分解結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖3B是本發(fā)明發(fā)射單元的并聯(lián)諧振電路原理示意圖。
[0025]圖3C是本發(fā)明發(fā)射單元的串聯(lián)諧振電路原理示意圖。
[0026]圖4是本發(fā)明接收單元的外部結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖4A是本發(fā)明接收單元的并聯(lián)諧振電路原理示意圖
[0028]圖4B是本發(fā)明接收單元的串聯(lián)諧振電路原理示意圖
[0029]圖5是本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0030]圖5A是本發(fā)明充電穩(wěn)壓電路原理圖。
[0031]圖5B是本發(fā)明充電管理電路原理圖。
【具體實施方式】
[0032]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明。
[0033]參見圖1所示，本發(fā)明的一種植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，該裝置包括有高頻激勵源10、發(fā)射單元20、接收單元30、能量轉(zhuǎn)換單元40和可充電電池；其中，高頻激勵源10和發(fā)射單元20屬于體外部件；接收單元30和能量轉(zhuǎn)換單元40屬于體內(nèi)部件；發(fā)射單元20與接收單元30采用磁耦合諧振無線電能傳輸方式對植入式心臟起搏器的可充電電池進行充電。
[0034]高頻激勵源10用于將輸入的工頻交流電220V經(jīng)變壓、整流濾波、逆變后輸出雙極
性方波電壓信號Vltl (即正極方波電壓信號F=、負(fù)極方波電壓信號Go);所述Vltl為電壓和
頻率可控的高頻交流電，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)射單元20的一定頻率和電壓信號的穩(wěn)定供給，所述V10的頻率與發(fā)射單元20的諧振頻率是相同的。
[0035]發(fā)射單元20將接收到的所述Vltl用于產(chǎn)生交變磁場，并耦合到接收單元30的接收線圈上；所述發(fā)射單元20上的諧振頻率與接收側(cè)諧振電路的諧振頻率相同。
[0036]接收單元30用于感應(yīng)發(fā)射單元20的交變磁場，并在接收線圈301中感應(yīng)后輸出
高頻電壓信號Dv3tl (即正極高頻電壓信號負(fù)極高頻電壓信號Df3q:);所述接收單元30上的諧振頻率與發(fā)射側(cè)諧振電路的諧振頻率相同。
[0037]能量轉(zhuǎn)換單元40用于連接接收單元30和植入式心臟起搏器的可充電電池兩部分，對接收單元30輸出的高頻電壓信號進行平滑處理，從而轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，該直流電經(jīng)電池管理芯片處理后對可充電電池進行充電。
[0038](一)高頻激勵源10
[0039]參見圖2所示，在本發(fā)明中，高頻激勵源10包括有交流變壓器101、整流濾波電路102、逆變電路103 ；
[0040]交流變壓器101將單相工頻220V交流電變換為低壓工頻交流電輸出給整流濾波電路102 ；
[0041]整流濾波電路102將所述的低壓工頻交流電進行整流濾波處理，輸出平直的直流電給逆變電路103 ；
[0042]逆變電路103對所述的平直的直流電進行單相全橋逆變處理，輸出雙極性方波電壓信號Vki (即正極方波電壓信號L負(fù)極方波電壓信號K)。[0043]參見圖2A所示的高頻激勵源的電路原理圖，單相工頻220V交流電經(jīng)變壓器Tl(型號為T10-01B)變換為低壓工頻交流電，該低壓工頻交流電經(jīng)全橋不控整流橋(D13?D16表示的肖特基二級管MBRD835構(gòu)成)后成為脈動的直流電，該脈動直流電經(jīng)電容濾波C50，C52后成為平直的直流電，之后供給后面的逆變電路103。逆變電路103采用單相全橋逆變方式，四只MOSFET管Q1、Q3和Q2、Q4在控制信號作用下，交替開關(guān)產(chǎn)生交變電壓，輸出占空比一定目標(biāo)頻率的雙極性方波。其中為防止電源的浪涌過電壓，在變壓器的一次側(cè)以及整流輸出側(cè)分別加入兩個壓敏電阻RV1、R33用于過電壓吸收。為了避免實驗調(diào)試過程中出現(xiàn)瞬時大電流對其他元件造成損毀，系統(tǒng)在整流后還串聯(lián)5A可恢復(fù)保險絲Fl對后續(xù)電路進行保護。
[0044]所述二級管D13的正極與變壓器Tl的二次側(cè)的2腳連接，二級管D13的負(fù)極與可恢復(fù)保險絲Fl連接；二級管D14的負(fù)極與變壓器Tl的二次側(cè)的2腳連接，二級管D14的正極接地；所述二級管D15的正極與變壓器Tl的二次側(cè)的4腳連接，二級管D15的負(fù)極與保險絲Fl連接；二級管D16的負(fù)極與變壓器Tl的二次側(cè)的4腳連接，二級管D16的正極接地；
[0045]在圖2A中，壓敏電阻RVl兩端與變壓器Tl的一次側(cè)兩端連接，壓敏電阻R33的兩端分別與二極管D15的負(fù)極和地連接。可恢復(fù)保險絲Fl的一端與濾波電容C50的正極連接，濾波電容C50的負(fù)極接地，可恢復(fù)保險絲Fl的一端與整流二極管D15的負(fù)極連接。濾波電容C50的正極與可恢復(fù)保險絲Fl連接，負(fù)極接地。濾波電容C52的兩端分別與濾波電容C50的正負(fù)極連接。
[0046]逆變部分采用單相全橋逆變方式，四只MOSFET管Q5、Q6、Q7和Q8在控制信號作用下，交替開關(guān)產(chǎn)生交變電壓，輸出占空比一定目標(biāo)頻率的雙極性方波。
[0047]MOSFET管Q5的漏極連接在濾波電容C50的正極，MOSFET管Q5的源極連接在MOSFET管Q6的漏極；
[0048]MOSFET管Q6的漏極連接在MOSFET管Q5的源極，MOSFET管Q6的源極接地；
[0049]MOSFET管Q7的漏極連接在濾波電容C50的正極，MOSFET管Q7的源極連接在MOSFET管Q8的漏極；
[0050]MOSFET管Q8的漏極連接在MOSFET管Q7的源極，MOSFET管Q8接地。
[0051]MOSFET管Q7的源極作為發(fā)射單元的電源輸入端，MOSFET管Q5的源極作為發(fā)射單元的電源輸入端。
[0052](二)發(fā)射單元20
[0053]參見圖3、圖3A、圖3B、圖3C所示，發(fā)射單元20包括發(fā)射線圈201、下基板202、上蓋板203、匹配電容204 ;所述下基板202上設(shè)有用于放置發(fā)射線圈201的線圈凹槽202A ；上蓋板203上設(shè)有用于發(fā)射線圈201兩端穿過的A通孔203A和B通孔203B，穿過所述A通孔203A和B通孔203B的發(fā)射線圈201的兩端分別與匹配電容204的兩端連接。所述的發(fā)射線圈201為漆包線，該漆包線沿著下基板202中的線圈凹槽202A進行纏繞形成圓盤線圈結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，發(fā)射線圈201的兩端分別與匹配電容204的兩端連接，形成并聯(lián)諧振電路，如圖3B所示。發(fā)射線圈201的一端連接有匹配電容204A的一端，匹配電容204A的另一
端連接在正極方波電壓信號G上，發(fā)射線圈201的另一端連接在負(fù)極方波電壓信號G上，
發(fā)射線圈201與匹配電容204A形成串聯(lián)諧振電路，如圖3C所示。[0054]在本發(fā)明中，發(fā)射線圈201設(shè)計成平面的螺旋方式布局有利于縮小裝置體積，且電磁輻射小。
[0055]在本發(fā)明中，發(fā)射單元20的諧振頻率范圍為0.1MHz?IOMHz。發(fā)射線圈201線徑為2.24mm，平均半徑為29.04mm，匝間距為1.5_，匝數(shù)為12匝。
[0056](三)接收單元30
[0057]參見圖4、圖4A、圖4B所示，接收單元30包括接收線圈301、PCB基板302和匹配電容304 ;所述的接收線圈301是采用覆銅技術(shù)在PCB基板302上制作出的螺旋線圈。所述的接收線圈301的兩端分別與所述匹配電容304的兩端連接，形成并聯(lián)諧振電路，如圖4A所示。接收線圈301的一端連接有匹配電容304A的一端，匹配電容304A的另一端連接在
負(fù)極方波電壓信號上，接收線圈301的另一端連接在正極方波電壓信號上，接收
線圈301與匹配電容304Α形成串聯(lián)諧振電路，如圖4Β所示。接收單元30用于輸出正負(fù)高
頻電壓DK」,、DK00
[0058]在本發(fā)明中，接收單元30的諧振頻率范圍為0.1MHz?IOMHz。接收線圈301的銅皮截面(寬X厚度)為1.5mmX0.105_，平均半徑20_，匝間距0.5_，匝數(shù)為14匝。
[0059]在本發(fā)明中，發(fā)射線圈201與匹配電容204發(fā)生諧振，產(chǎn)生較大電流，從而建立起較強的電磁場。發(fā)射單元20中匹配電容204的電場能因為諧振，與發(fā)射線圈201中的磁場能不斷進行交換。而發(fā)射線圈201中的磁場有一部分鉸鏈到接收線圈301，在接收線圈301中敏感所述電磁場得到感應(yīng)電流，因此能量傳遞到了接收單元30,發(fā)射單元20與接收單元30之間形成電磁能量的無線傳輸。
[0060](四)能量轉(zhuǎn)換單元40
[0061]參見圖5所示，能量轉(zhuǎn)換單元40包括整流電路401、濾波電路402、穩(wěn)壓電路403和充電管理電路404。能量轉(zhuǎn)換單元40對接收單元30輸出的電壓進行整流、濾波、穩(wěn)壓之后，通過充電管理芯片，對額定電壓4.2V，容量1.8Ah的可充電鋰電池進行充電。
[0062]參見圖5A所示，整流電路401采用全橋整流方式，全橋整流不僅能夠利用正、負(fù)周期的能量，而且接收到的電流與接收單元電流的大小相同，可使能量得到最大限度的利用，減小電能損耗。整流二極管D2?D5選用肖特基二極管IN5822它顯著的特點是反向恢復(fù)時間極短(可以小到幾納秒)，正向?qū)▔航祪H0.4V左右，并且能承受低電壓大電流。
[0063]整流二極管D2的正極連接在接收單元30的負(fù)高頻電壓端上，且整流二極管
D2的正極也與整流二極管D3的負(fù)極連接，整流二極管D2的負(fù)極連接在穩(wěn)壓芯片U7的I腳上。
[0064]整流二極管D3的負(fù)極連接在接收單元30的負(fù)高頻電壓端上，且整流二極管D3的負(fù)極也與整流二極管D2的正極連接，整流二極管D3的正極接地。
[0065]整流二極管D4的正極連接在接收單元30的正高頻電壓端上，且整流二極管
D4的正極也與整流二極管D5的負(fù)極連接，整流二極管D4的負(fù)極連接在穩(wěn)壓芯片U7的I腳上。
[0066]整流二極管D5的負(fù)極連接在接收單元30的正高頻電壓端上，且整流二極管D5的負(fù)極也與整流二極管D4的正極連接，整流二極管D5的正極接地。[0067]在本發(fā)明中，對于接收功率只有幾瓦的植入式醫(yī)療裝置來說，設(shè)法降低各能量轉(zhuǎn)換部分的損耗是十分重要的。整流部分影響電路轉(zhuǎn)換效率的主要因素是整流二極管的正向電壓，其次，損耗的大小和整流的方式有著必然的聯(lián)系。全橋整流不僅能夠利用正、負(fù)周期的能量，而且接收到的電流與接收單元電流的大小相同，可使能量得到最大限度的利用。整流電路401采用全橋整流方式，整流二極管選用肖特基二極管IN5822。它顯著的特點是反向恢復(fù)時間極短(可以小到幾納秒)，正向?qū)▔航祪H0.4V左右，并且能承受低電壓大電流。
[0068]參見圖5A所示，濾波電路402的作用是把整流后波形不平直的近似直流電修整成為盡可能平直的直流電，濾波電容C45的正極連接在穩(wěn)壓芯片U7的I腳上，濾波電容C45的負(fù)極接地；濾波電容Cll的一端連接在穩(wěn)壓芯片U7的I腳上，濾波電容Cll的另一端接地。
[0069]在本發(fā)明中，濾波電路402的作用是把整流后波形不平直的近似直流電修整成為盡可能平直的直流電，為了后續(xù)電路能穩(wěn)定工作作準(zhǔn)備。
[0070]參見圖5A所示，穩(wěn)壓電路403采用型號為TL2575HV-5穩(wěn)壓芯片U7。穩(wěn)壓芯片U7的I腳用于接收經(jīng)整流濾波的電壓信號，作為電壓信號的輸入；穩(wěn)壓芯片U7的2腳為穩(wěn)壓芯片輸出端，即輸出+ 5V電壓信號；穩(wěn)壓芯片U7的3腳和5腳接地；穩(wěn)壓芯片U7的2腳與二極管Dl的負(fù)極、電感L3的一端連接，二極管Dl的正極與濾波電容C48的負(fù)極、濾波電容C12的一端連接，電感L3的另一端上連接濾波電容C48的正極、濾波電容C12的另一端，穩(wěn)壓芯片U7的4腳與+ 5V連接，作為穩(wěn)壓電路的反饋信號。穩(wěn)壓芯片U7的2腳輸出的+5V電壓信號供給充電管理電路404，且作為充電管理電路404的電源使用。
[0071 ] 在本發(fā)明中，穩(wěn)壓電路403是對充電管理電路進行保護，避免接收單元輸出的瞬間大電壓影響充電管理電路的正常運行。在實際工作過程中，由于發(fā)送部分位于體外，而接收部分位于體內(nèi)，因此接收和發(fā)送線圈的相對位置不是固定不變的，這樣必然會導(dǎo)致接收線圈部分耦合產(chǎn)生的電壓的幅值會有變化，如果不采用高效率的穩(wěn)壓環(huán)節(jié)處理，必然會造成接收部分的效率大大降低本裝置設(shè)計中，采用一片高效的穩(wěn)壓芯片TL2575HV-5，它可以將輸入高壓(最高60V)直流穩(wěn)壓成為5V直流信號，供應(yīng)給充電管理芯片。如前級輸出的直流電在正常的波動范圍內(nèi)不會出現(xiàn)大電壓沖擊，就可以去掉該環(huán)節(jié)。
[0072]參見圖5B所示，充電管理電路404采用型號為BQ24002的電池管理芯片U13。電池管理芯片U13的18腳和19腳為輸出至可充電電池的連接端，電池管理芯片U13的17腳作為電池電壓反饋端。
[0073]電池管理芯片U13的2腳、3腳和5腳經(jīng)電阻R42接+ 5V電壓；
[0074]電池管理芯片U13的4腳接+ 5V電壓，4腳經(jīng)電容C61接地，4腳經(jīng)電容C46接地；電容C61與電容C46形成濾波電路，該濾波電路對+ 5V電壓進行濾波處理；
[0075]電池管理芯片U13的7腳經(jīng)電阻R45接+ 5V電壓，7腳經(jīng)電阻R31接地；
[0076]電池管理芯片U13的8腳經(jīng)電阻R3接+ 5V電壓，8腳經(jīng)電容C16接地；
[0077]電池管理芯片U13的9腳經(jīng)電阻R4接+ 5V電壓，9腳經(jīng)電容C65接地；
[0078]電池管理芯片U13的10腳接地；
[0079]電池管理芯片U13的12腳經(jīng)電容C62接地；
[0080]電池管理芯片U13的13腳經(jīng)電阻R46接+ 5V電壓；
[0081]電池管理芯片U13的14腳經(jīng)發(fā)光二極管LEDSl、電阻R44接+ 5V電壓；[0082]電池管理芯片U13的15腳經(jīng)發(fā)光二極管LEDS2、電阻R43接+ 5V電壓；
[0083]電池管理芯片U13的16腳接地；
[0084]電池管理芯片U13的17腳接可充電電池的正極；
[0085]電池管理芯片U13的18腳接可充電電池的正極；
[0086]電池管理芯片U13的19腳一方面接可充電電池的正極，另一方面經(jīng)電容C63接地。
[0087]在本發(fā)明中，充電管理電路404主要采用TI公司生產(chǎn)的鏗離子線性充電管理器件BQ24002。穩(wěn)壓后的電信號經(jīng)過一個分流電阻(R42)送入芯片，BQ24002通過調(diào)節(jié)內(nèi)部線性三極管的壓降來實現(xiàn)輸出電流可控(恒流)，輸出電壓可控(恒壓)。它由具有以下幾方面的優(yōu)點:
[0088](I)集成電壓、電流穩(wěn)定裝置，可編程充電電流，連續(xù)充電電流高達(dá)1.2A ；
[0089]( 2 )高精確度穩(wěn)壓裝置(士 I % );
[0090](3)低壓差線性充電器設(shè)計，適用于碳棒或石墨作為正極的單節(jié)銼電池；
[0091](4)集成了電池條件設(shè)置，恢復(fù)放電電池和盡量減小充電開始階段的熱量散失；
[0092](5)充電之前和充電過程中可選溫度和輸人功率監(jiān)控裝置。
[0093]在本發(fā)明中，充電分為三個階段，首先是預(yù)充電階段。如果電池電壓低于內(nèi)部低電壓閾值，則采用涓流充電方式對電池進行充電，時間一般是22.5分鐘。其次是恒流充電階段，在預(yù)充電結(jié)束后進人恒流充電階段，充電電流值由一個外部分流電阻R42設(shè)定，若充電
電流設(shè)為500mA，檢測電阻R42值為
【權(quán)利要求】
1.一種植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于:該裝置包括有高頻激勵源(10)、發(fā)射單元(20)、接收單元(30)、能量轉(zhuǎn)換單元(40)和可充電電池；其中，高頻激勵源(10)和發(fā)射單元(20)屬于體外部件；接收單元(30)和能量轉(zhuǎn)換單元(40)屬于體內(nèi)部件； 高頻激勵源(10)用于將輸入的工頻交流電經(jīng)變壓、整流濾波、逆變后輸出雙極性方波電壓信號； 發(fā)射單元(20 )將接收到的雙極性方波電壓信號用于產(chǎn)生交變磁場，并耦合到接收單元(30)的接收線圈上； 接收單元(30)用于感應(yīng)發(fā)射單元(20)的交變磁場，并在接收線圈中感應(yīng)后出高頻電壓信號； 能量轉(zhuǎn)換單元(40)用于連接接收單元(30)和植入式心臟起搏器的可充電電池兩部分，對接收單元(30)輸出的高頻電電壓信號進行平滑處理，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，經(jīng)由電池管理芯片后，對心臟起搏器可充電電池進行充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于:高頻激勵源(10 )包括有交流變壓器(101)、整流濾波電路(102 )、逆變電路(103 );交流變壓器(101)將單相工頻220V交流電變換為低壓工頻交流電輸出給整流濾波電路(102);整流濾波電路(102)將所述的低壓工頻交流電進行整流濾波處理，輸出平直的直流電給逆變電路(103);逆變電路(103)對所述的平直的直流電進行單相全橋逆變處理，輸出雙極性方波電壓信號V1C|。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于高頻激勵源(10)的電路連接為: 所述二級管D13的正極與變壓器Tl的二次側(cè)的2腳連接，二級管D13的負(fù)極與可恢復(fù)保險絲Fl連接；二級管D14的負(fù)極與變壓器Tl的二次側(cè)的2腳連接，二級管D14的正極接地；所述二級管D15的正極與變壓器Tl的二次側(cè)的4腳連接，二級管D15的負(fù)極與保險絲Fl連接；二級管D16的負(fù)極與變壓器Tl的二次側(cè)的4腳連接，二級管D16的正極接地； 壓敏電阻RVl兩端與變壓器Tl的一次側(cè)兩端連接，壓敏電阻R33的兩端分別與二極管D15的負(fù)極和地連接；可恢復(fù)保險絲Fl的一端與濾波電容C50的正極連接，濾波電容C50的負(fù)極接地，可恢復(fù)保險絲Fl的一端與整流二極管D15的負(fù)極連接；濾波電容C50的正極與可恢復(fù)保險絲Fl連接，負(fù)極接地；濾波電容C52的兩端分別與濾波電容C50的正負(fù)極連接； MOSFET管Q5的漏極連接在濾波電容C50的正極，MOSFET管Q5的源極連接在MOSFET管Q6的漏極； MOSFET管Q6的漏極連接在MOSFET管Q5的源極，MOSFET管Q6的源極接地； MOSFET管Q7的漏極連接在濾波電容C50的正極，MOSFET管Q7的源極連接在MOSFET管Q8的漏極； MOSFET管Q8的漏極連接在MOSFET管Q7的源極，MOSFET管Q8接地； MOSFET管Q7的源極作為發(fā)射單元的電源輸入端，MOSFET管Q5的源極作為發(fā)射單元的電源輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于:發(fā)射單元(20)包括發(fā)射線圈(201)、下基板(202)、上蓋板(203)、匹配電容(204);所述下基板(202)上設(shè)有用于放置發(fā)射線圈(201)的線圈凹槽(202A);上蓋板(203)上設(shè)有用于發(fā)射線圈(201)兩端穿過的A通孔(203A)和B通孔(203B)，穿過所述A通孔(203A)和B通孔(203B)的發(fā)射線圈(201)的兩端分別與匹配電容(204)的兩端連接；發(fā)射線圈(201)與匹配電容(204)的并聯(lián)連接形成并聯(lián)諧振電路；或者，發(fā)射線圈(201)的一端連接有匹配電容(204A)的一端，匹配電容(204A)的另一端連接在正極方波電壓信號上,發(fā)射線圈(201)的另一端連接在負(fù)極方波電壓信號上，發(fā)射線圈(201)與匹配電容(204A)的串聯(lián)連接形成串聯(lián)諧振電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于:所述的發(fā)射線圈(201)為漆包線，該漆包線沿著下基板(202)中的線圈凹槽(202A)進行纏繞形成圓盤線圈結(jié)構(gòu)；發(fā)射線圈(201)線徑為2.24mm，平均半徑為29.04mm，匝間距為1.5mm,阻數(shù)為12阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于:接收單元(30)包括接收線圈(301)、PCB基板(302)和匹配電容(304);所述的接收線圈(301)是采用覆銅技術(shù)在PCB基板(302)上制作出的螺旋線圈；所述的接收線圈(301)的兩端分別與所述匹配電容(304)的兩端連接；接收線圈(301)與匹配電容(304)的并聯(lián)連接形成并聯(lián)諧振電路；或者，接收線圈(301)的一端連接有匹配電容(304A)的一端，匹配電容(304A)的另一端連接在負(fù)極方波電壓信號上，接收線圈(301)的另一端連接在正極方波電壓信號上，接收線圈(301)與匹配電容(304A)形成串聯(lián)諧振電路；接收單元(30)用于輸出正負(fù)高頻電壓DK」,、DKi0O
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于:接收線圈(301)的銅皮截面為1.5mmX0.105mm,平均半徑20mm, β?間距0.5mm, β?數(shù)為14匝。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于:能量轉(zhuǎn)換單元(40)包括整流電路(401)、濾波電路(402)、穩(wěn)壓電路(403)和充電管理電路(404);整流電路(401)采用全橋整流方式，整流二極管D2的正極連接在接收單元30的負(fù)高頻電壓DKiu端上，且整流二極管D2的正極也與整流二極管D3的負(fù)極連接，整流二極管D2的負(fù)極連接在穩(wěn)壓芯片U7的I腳上；整流二極管D3的負(fù)極連接在接收單元30的負(fù)高頻電壓DKu,.端上，且整流二極管D3的負(fù)極也與整流二極管D2的正極連接，整流二極管D3的正極接地；整流二極管D4的正極連接在接收單元30的正高頻電壓Ζ)Kj.,端上，且整流二極管D4的正極也與整流二極管D5的負(fù)極連接，整流二極管D4的負(fù)極連接在穩(wěn)壓芯片U7的I腳上；整流二極管D5的負(fù)極連接在接收單元30的正高頻電壓端上，且整流二極管D5的負(fù)極也與整流二極管D4的正極連接，整流二極管D5的正極接地；濾波電路(402)的作用是把整流后波形不平直的近似直流電修整成為盡可能平直的直流電，濾波電容C45的正極連接在穩(wěn)壓芯片U7的I腳上，濾波電容C45的負(fù)極接地；濾波電容Cll的一端連接在穩(wěn)壓芯片U7的I腳上，濾波電容Cll的另一端接地；穩(wěn)壓電路(403)中穩(wěn)壓芯片U7的I腳用于接收經(jīng)整流濾波的電壓信號，作為電壓信號的輸入；穩(wěn)壓芯片U7的2腳為穩(wěn)壓芯片輸出端，即輸出+ 5V電壓信號；穩(wěn)壓芯片U7的3腳和5腳接地；穩(wěn)壓芯片U7的2腳與二極管Dl的負(fù)極、電感L3的一端連接，二極管Dl的正極與濾波電容C48的負(fù)極、濾波電容C12的一端連接，電感L3的另一端上連接濾波電容C48的正極、濾波電容C12的另一端，穩(wěn)壓芯片U7的4腳與+ 5V連接，作為穩(wěn)壓電路的反饋信號；穩(wěn)壓芯片U7的2腳輸出的+ 5V電壓信號供給充電管理電路(404)，且作為充電管理電路(404)的電源使用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于充電管理電路(404)的電路連接為: 電池管理芯片U13的2腳、3腳和5腳經(jīng)電阻R42接+ 5V電壓； 電池管理芯片U13的4腳接+ 5V電壓，4腳經(jīng)電容C61接地，4腳經(jīng)電容C46接地；電容C61與電容C46形成濾波電路，該濾波電路對+ 5V電壓進行濾波處理； 電池管理芯片U13的7腳經(jīng)電阻R45接+ 5V電壓，7腳經(jīng)電阻R31接地； 電池管理芯片U13的8腳經(jīng)電阻R3接+ 5V電壓，8腳經(jīng)電容C16接地； 電池管理芯片U13的9腳經(jīng)電阻R4接+ 5V電壓，9腳經(jīng)電容C65接地； 電池管理芯片U13的10腳接地； 電池管理芯片U13的12腳經(jīng)電容C62接地； 電池管理芯片U13的13腳經(jīng)電阻R46接+ 5V電壓； 電池管理芯片U13的14腳經(jīng)發(fā)光二極管LEDSl、電阻R44接+ 5V電壓；` 電池管理芯片U13的15腳經(jīng)發(fā)光二極管LEDS2、電阻R43接+ 5V電壓； 電池管理芯片U13的16腳接地； 電池管理芯片U13的17腳接可充電電池的正極； 電池管理芯片U13的18腳接可充電電池的正極； 電池管理芯片U13的19腳一方面接可充電電池的正極，另一方面經(jīng)電容C63接地。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式心臟起博器磁耦合諧振無線充電裝置，其特征在于:高頻激勵源(10)和發(fā)射單元(20)屬于體外部件；接收單元(30)和能量轉(zhuǎn)換單元(40)屬于體內(nèi)部件；發(fā)射單元(20)與接收單元(30)采用磁耦合諧振無線電能傳輸方式對植入式心臟起搏器的可充電電池進行充電。
【文檔編號】H02J17/00GK103560572SQ201310493063
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】肖春燕, 劉芳, 王艷, 陳鈺君 申請人:北京航空航天大學(xué)