CN105896984B - Boost电路及DC-DC模块，刺激电路和植入式医疗器械 - Google Patents

Boost电路及DC-DC模块，刺激电路和植入式医疗器械 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Boost电路以及采用该Boost电路的DC‑DC模块，刺激电路和植入式医疗器械。该Boost电路包括：电感元件、开关管，二极管以及电容；其中，所述电感元件饱和时满足以下条件：当RL≥Rmin,L>L’min＝N×Lmin；当RL<Rmin，其中，Rmin＝Vin/Iinmax，RL为该电感元件的电阻，Rmin为该开关管导通期间回路中的最小串联电阻，L为该电感元件的电感量，Vin为该Boost电路工作的输入电压，Vo为该Boost电路工作的输出电压，Ts为该开关管的切换周期，D为该开关管的占空比，R表示该Boost电路工作的负载电阻，Iinmax为该Boost电路工作的最大输入电流，N为变换系数，N≥1，ILPK为电感元件的峰值电流。

Description

Boost电路及DC-DC模块，刺激电路和植入式医疗器械
技术领域
本发明涉及医疗器械相关技术领域，尤其，涉及一种植入式医疗器械(Implantable Medical Device,IMD)。
背景技术
植入式医疗器械种类很多，如心脏起搏器和除颤器、植入式神经刺激器、植入式肌肉刺激器等。植入式医疗器械一般包含体内植入装置和体外控制装置，两者之间通过双向无线通讯交换信息。
在现有的技术中，植入式医疗器械一般利用电池供电，通过脉冲发生电路发出特定频率的刺激脉冲，对特定的靶点进行刺激，从而改善患者的症状。所述脉冲发生电路通常包括一DC-DC开关电路，其中含有带磁芯的电感器件。然而，在强磁场环境下，例如磁共振成像(MRI)环境下，该DC-DC开关电路中的电感由于磁芯饱和而导致电感量显著下降，使得电路参数变化，会影响脉冲发生电路发出的刺激脉冲，从而影响对患者的治疗效果以及带来安全隐患。
发明内容
本发明提出一种带磁芯电感的Boost电路设计方法，能够确保在强磁场环境下DC-DC开关电路的正常输出。
一种Boost电路，其包括：电感元件、开关管，二极管以及电容；其中，所述电感元件饱和时满足以下条件：
当RL≥Rmin,L>L’min＝N×Lmin；
当RL<Rmin，
其中，Rmin＝Vin/Iinmax，
RL为该电感元件的电阻，Rmin为该开关管导通期间回路中的最小串联电阻，L为该电感元件的电感量，Vin为该Boost电路工作的输入电压，Vo为该Boost电路工作的输出电压，Ts为该开关管的切换周期，D为该开关管的占空比，R表示该Boost电路工作的负载电阻，Iinmax为该Boost电路工作的最大输入电流，由电源模块或稳压器的最大输出能力决定，N为变换系数，ILPK为电感元件的峰值电流，N≥1。
如上述Boost电路，优选地，N＝1.3。
如上述Boost电路，更优选地，N＝1.5。
如上述Boost电路，最优选地，N＝1.8。
一种DC-DC模块，其包括：一Boost电路，其特征在于，所述Boost电路为上述Boost电路。
一种脉冲发生器的刺激电路，其包括：一电源模块，一稳压器，一DC-DC模块，一输出控制模块以及一反馈控制模块；所述DC-DC模块包括一Boost电路；其中，所述Boost电路为上述Boost电路。
一种植入式医疗器械，其包括：植入体内的脉冲发生器和刺激电极，其中，所述脉冲发生器包括上述刺激电路。
如上述植入式医疗器械，其中，所述脉冲发生器还包括通讯模块。
如上述植入式医疗器械，其中，所述脉冲发生器还包括存储模块。
如上述植入式医疗器械，其中，进一步包括延长导线。
如上述植入式医疗器械，其中，进一步包括外部程控仪。
如上述植入式医疗器械，其中，所述植入式医疗器械为心脏起搏器、除颤器、脑深部电刺激器、脊髓刺激器、迷走神经刺激器或肠胃刺激器。
相较于现有技术，本发明通过对刺激电路中的Boost变换结构电路进行设计，使得采用该刺激电路的植入式医疗器械可以安全的在MRI环境下工作。
附图说明
图1为本发明实施例采用的脑深部电刺激器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的脑深部电刺激器的脉冲发生器的内部结构示意图。
图3为本发明实施例提供的脑深部电刺激器的典型的Boost变换结构电路图。
图4为本发明实施例提供的脑深部电刺激器的脉冲发生器的刺激电路的电感元件的电感电流与电感量之间的关系。
图5为图3的Boost变换结构电路的电感元件的电感量与电阻之间的关系。
图6为本发明实施例提供的脑深部电刺激器的带有开关的Boost变换结构电路图。
图7为图6的Boost变换结构电路的电感元件的电感量与电阻之间的关系。
主要元件符号说明
脑深部电刺激器 10
外部程控仪 11
脉冲发生器 12
一电源模块 120
稳压器 121
DC-DC模块 122
输出控制模块 123
反馈控制模块 124
延长导线 14
刺激电极 16
电极触点 18
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
本发明提供了一种脉冲发生器的刺激电路以及采用该刺激电路的植入式医疗器械。该植入式医疗器械可以为心脏起搏器、除颤器、脑深部电刺激器、脊髓刺激器、迷走神经刺激器、肠胃刺激器或者其他类似的植入式医疗器械。本发明仅以脑深部电刺激器为例进行说明，结合附图对本发明进一步说明。
请参见图1，所述脑深部电刺激器10包括：一外部程控仪11以及植入体内的脉冲发生器12，延长导线14和刺激电极16组成。所述外部程控仪11控制该脉冲发生器12用于产生一定模式的电脉冲，通过该延长导线14传到刺激电极16的电极触点18处，通过该电极触点18刺激特定核团可以达到治疗疾病的目的。
请参见图2，所述脉冲发生器12包括：一电源模块120，一稳压器121，一DC-DC模块122，一输出控制模块123以及一反馈控制模块124。所述电源模块120通常是电池，包括可充电电池或不可充电电池。所述电源模块120输出电压可能会随时间或输出电流大小而产生波动，因此需要经过稳压器121稳压，向电路提供稳定的供电。为了使输出的刺激幅度可变，需要采用DC-DC模块122将稳压器121输出进行电压变换转换到实际需要的电压。所述输出控制模块123控制是否输出刺激信号以及输出的刺激信号的频率和脉冲宽度。所述反馈控制模块124将输出的刺激信号反馈给该DC-DC模块122，以调节该DC-DC模块122的工作模式。可以理解，所述脉冲发生器12还可以包括通讯模块、存储模块等。
请参见图3，为所述DC-DC模块122的典型的Boost变换结构电路图。所述Boost变换结构电路中含有电感元件。该电感元件含有磁芯，从而以较小的电感线圈尺寸达到较大的电感量。所述磁芯材料通常为铁氧体。所述电感元件的电感量为L，其电阻值为RL。所述DC-DC模块122的Boost变换结构电路还包括开关管M，二极管D以及电容C。所述Boost变换结构电路工作时通过所述稳压器121输入电压Vin，并输出一电压Vo。所述稳压器121自身最大的输出电流或者由于该电源模块120输出能力的限制导致稳压器121最大的输出电流为Iinmax。
当电路处于磁场环境下时，磁芯会被磁化，从而影响电感量的大小，当磁场达到一定强度，磁芯会饱和，也即外加磁场再增加，其磁化程度不再变化，从而丧失提高线圈电感的作用，导致电感元件的电感量明显下降，进而影响该DC-DC模块122的Boost变换结构电路的工作。其影响包括两个方面，一是该DC-DC模块122的Boost变换结构电路的瞬时电流增加，有可能会超出所述电源模块120供电能力，二是造成能量输运能力不足，可能会导致刺激输出信号异常。
为了防止上述影响，本发明对所述DC-DC模块122的Boost变换结构进行的专门设计。具体分析如下：
在开关管导通期间，电感元件的电流iL满足式(1)：
其中，iLPK为电感元件的峰值电流，L为电感元件的电感量，Vin为所述电源模块120的输入电压，RL为电感元件的电阻，Ts为开关管M的切换周期，D为开关管M的占空比。
由上述式(1)可得到在开关管导通期间，电感元件的电流iL的表达式(2)：
其中，t表示表示开关管M的导通时间长度。由式(2)可看到，电感元件的电流iL与电感量L成非线性关系。为了更加直观的说明电感量L的变化对电感元件的电流iL的影响，固定式(2)中的其它参数，改变电感量L，得到不同电感量L下，电感元件的电流iL随时间的变化曲线如图4所示。
由图4可看到，电感量L的变化，对电感元件的电流iL的影响表现在两个方面：首先是电感元件的电流iL的增长率，电感量L越小，电感元件的电流iL的增长率越大。其次是电感元件的峰值电流iLPK，在开关管导通期间，电感量L越小，电感元件的峰值电流iLPK越大。
Boost电路开关管导通期间回路中的最小串联电阻Rmin满足公式(3)：
Rmin＝Vin/Iinmax (3)。
考虑最大电流不能超过电路供电能力，即电感元件的峰值电流iLPK不能超过Iinmax，得到式(4)：
由式(3)和(4)最终得到如下结果：
当RL>Rmin时，电感量L任意选取；
当RL<Rmin时，电感量L的选取必须满足下式(5)的要求：
电感元件存储的能量EL如式(6)所示：
当考虑电阻RL时及稳压器121最大的输出电流为Iinmax，电感元件存储的能量EL随着电感量L的减小而减小。这是由于RL和Iinmax的存在影响了电感电流的增长速率及峰值，从而使电感量的减小占主导地位。
在一个开关周期内，当所述电源模块120和储能电感提供的能量小于负载及电感等效串联电阻消耗的能量时，输出电压将下降，具体表达式如式(7)所示：
其中，EL分别代表所述电源模块120及储能电感在一个开关周期内提供的能量，ER、分别代表负载及电感等效串联电阻在一个开关周期内消耗的能量。得到式(7)的精确解非常困难，下面推导使输出电压下降的电感量L的范围。
理想状态下，负载的能量由所述电源模块120与储能电感一同提供，电感只提供高于输入电压的那部分电压。但是由于RL的影响，所述电源模块120的一部分能量消耗在此电阻上，最恶劣的情况就是所述电源模块120的能量全部消耗在此电阻上。当不考虑RL的能量消耗时，得到使输出电压下降的最恶劣电感量Lmin的表达式如式(8)所示
其中，R表示负载电阻，Vo为输出电压，ILPK为电感元件的峰值电流。另外，ILPK满足如下关系：
为了满足电路正常工作的要求，本发明要求L>N×Lmin，N为变换系数，且N≥1。本发明分别通过式(5)和式(8)以及数值模拟的方法，得到如图5所示的结果，并经验的得到实际不引起输出电压下降的最小电感量通常都大于式(8)的1.3倍，即N＝1.3。为了确保安全，更优选地，N＝1.5，最选地，N＝1.8。以便能满足图3的电路在各种磁场环境的正常工作的要求。
请进一步参考图6，考虑在Boost变换电路的输出端设置开关S1得到改变后的Boost变换电路，该Boost变换电路输出脉冲电流。
图6中，所述电源模块120经过稳压器121后产生恒定的电压Vi。该电压作为Boost变换器的输入电压。虚线框内为Boost变换器的核心电路，该电路由电感L，电感直流电阻RL，开关管M，续流二极管D，输出滤波电容C，负载R构成。为了产生输出脉冲，电容C和负载R之间设置模拟开关S1。Boost变换器的控制方式为电压反馈，即，反馈电阻Rf1及Rf2产生反馈电压Vfb，该电压与预期电压Vref进行比较，比较结果与控制脉冲共同调控开关管M的开与断。Boost变换器的电路参数如下：输入电压Vi，输出电压Vo，占空比D，M的控制频率fs，对应的控制周期为Ts，且Ts＝1/fs，输出脉冲的频率为fp，脉宽为Wp，通常fs>>fp。
在脉冲输出的一个周期内，R消耗的能量ER如下式(10)所示：
在脉冲输出的一个周期内，所述DC-DC模块122工作了fs/fp个周期，那么L共向负载传递的能量如下式(11)：
忽略RL的影响，则得到式(12)：
EL＝ER(Vo-Vi)/Vo (12)。
在脉冲输出的一个周期内，当Vi及L提供给负载的能量总和小于R消耗的能量ER时，Vo下降。由此，得到使Vo下降的最小电感Lmin的表达式(13)如下：
其中，ILPK满足上述式(9)。
式(8)是在忽略电阻RL的影响时，得到的最小电感表达式。实际上，导致Vo下降的最小电感值要大于式(8)中得到的电感值。为此，本发明分别通过式(5)，式(13)以及采用电路数值模拟的方法得到输出电压下降的最小电感值。结果如图7所示。由图7可见，当N＝1.8时，能满足图6的电路正常工作的要求。
综上可得到所述DC-DC模块122中磁芯电感饱和时需要满足的要求：
(a)当RL≥Rmin,L>L’min＝N×Lmin；
(b)当RL<Rmin，
其中，Rmin＝Vin/Iinmax，Lmin由式(13)确定，N≥1。优选地，N＝1.3。更优选地，N＝1.5。最优选地，N＝1.8。
本发明通过对刺激电路中的DC-DC模块122进行设计，使得采用该刺激电路的植入式医疗器械可以安全的在MRI环境下工作。
以上已经给出了本发明的多个实施方式，可以理解的是，在不偏离本公开内容精神以及范围的情况下，可以做出各种变化、替换、以及改变，这些实施方式也在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种Boost电路，其包括：电感元件，开关管，开关，二极管以及电容；其特征在于，所述电感元件饱和时满足以下条件：
当RL≥Rmin,L>L’min＝N×Lmin；
当RL<Rmin，
其中，Rmin＝Vin/Iinmax，
RL为该电感元件的电阻，Rmin为该开关管导通期间回路中的最小串联电阻，L为该电感元件的电感量，Vin为该Boost电路工作的输入电压，Vo为该Boost电路工作的输出电压，Ts为该开关管的切换周期，D为该开关管的占空比，R表示该Boost电路工作的负载电阻，Iinmax为该Boost电路工作的最大输入电流，N为变换系数，N≥1，ILPK为电感元件的峰值电流，fp为输出脉冲的频率，Wp为脉宽。
2.如权利要求1所述的Boost电路，其特征在于，N＝1.3。
3.如权利要求1所述的Boost电路，其特征在于，N＝1.5。
4.如权利要求1所述的Boost电路，其特征在于，N＝1.8。
5.一种DC-DC模块，其包括：一Boost电路，其特征在于，所述Boost电路为如权利要求1至4任意一项所述的Boost电路。
6.一种脉冲发生器的刺激电路，其包括：一电源模块，一稳压器，一DC-DC模块，一输出控制模块以及一反馈控制模块；所述DC-DC模块包括一Boost电路；其特征在于，所述Boost电路为如权利要求1至4任意一项所述的Boost电路。
7.一种植入式医疗器械，其包括：植入体内的脉冲发生器和刺激电极，其特征在于，所述脉冲发生器包括如权利要求6所述的刺激电路。
8.如权利要求7所述的植入式医疗器械，其特征在于，所述脉冲发生器还包括通讯模块和存储模块。
9.如权利要求7所述的植入式医疗器械，其特征在于，进一步包括外部程控仪。
10.如权利要求7所述的植入式医疗器械，其特征在于，所述植入式医疗器械为心脏起搏器、除颤器、脑深部电刺激器、脊髓刺激器、迷走神经刺激器或肠胃刺激器。
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