CN107376121A - 具有发射功率自适应调节功能的经皮无线充电系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有发射功率自适应调节功能的经皮无线充电系统，包括置于人体之外的体外充电器和置于人体之内的体内植入装置，体外充电器包括充电发射线圈，充电发射线圈端连接有检测控制电路用于控制充电发射线圈的发射功率，体内植入装置包括充电接收线圈，充电接收线圈连接有整流滤波电路、充电控制电路和可充电电池；所述检测控制电路包括微控制器、电源变换电路、驱动电路和电流检测电路；所述电流检测电路包括反馈网络和电流互感器，电流互感器一端连接充电发射线圈，另一端连接反馈网络，反馈网络连接至微控制器，与驱动电路形成一闭环反馈电路。本发明的方案通过体外发射单元检测充电发射线圈上电流的状态，来调整体外发射功率，使得发射功率调整为最低发射功率，调整过程中无需建立通信过程，发射功率的调节过程迅速。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗器械相关技术领域，尤其，涉及一种具有发射功率自适应调节功能的经皮无线充电系统和方法。
背景技术
植入式医疗仪器种类很多，如植入式心脏起搏器、脑起搏器、神经刺激器、肌肉刺激器、心电记录器等，目前这些植入医疗仪器，均需要有电池或充电系统来实现仪器的正常工作。
在经皮无线充电应用中，有源植入式装置常用金属钛作为外壳来封装内部电子线路、电池等。金属外壳、内部金属部件等在无线充电时由于涡流效应会导致植入装置存在发热问题。同时，植入装置的位置不可见，为解决充电过程中的发热问题，体外充电器常需执行充电线圈位置调整操作，以及且经通信获取体内充电状态进而调节发射参数的操作，会导致充电建立过程时间过长。
发明内容
为解决经皮无线充电系统充电建立过程时间长、且因充电位置变动而经通信过程调整发射参数的时间过长等问题，本发明提供一种具有发射功率自适应调节功能的经皮无线充电系统，包括置于人体之外的体外充电器和置于人体之内的体内植入装置，其特征在于，体外充电器包括充电发射线圈，充电发射线圈端连接有检测控制电路用于控制充电发射线圈的发射功率，体内植入装置包括充电接收线圈，充电接收线圈连接有整流滤波电路、充电控制电路和可充电电池；所述检测控制电路包括微控制器、电源变换电路、驱动电路和电流检测电路；
所述电流检测电路包括反馈网络和电流互感器，电流互感器一端连接充电发射线圈，另一端连接反馈网络，反馈网络连接至微控制器，与驱动电路形成一闭环反馈电路。
进一步地，所述充电控制电路包括稳压电路、充电开关管、采样电阻、充电管理控制芯片和充电保护电路，充电管理控制芯片通过采集采样电阻上的压降来驱动充电开关管的导通程度。
进一步地，所述驱动电路包括驱动放大电路、全桥驱动电路和谐振电容，微控制器与驱动放大电路相连，驱动放大电路与全桥驱动电路相连，全桥驱动电路与谐振电容和充电发射线圈相连。
进一步地，所述整流滤波电路为全桥整流电路。
进一步地，所述充电接收线圈为空心线圈或内含高磁导率芯的线圈或涂覆有高磁导率薄膜的线圈。
进一步地，所述充电接收线圈与谐振电容并联或者串联形成并联谐振或者串联谐振回路。
进一步地，所述稳压电路为LDO稳压电路、电荷泵倍压电路或者DC/DC稳压器。
本发明还公开了一种具有发射功率自适应调节功能的经皮无线充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：体外充电器与体内植入装置建立通信；
S2：通过监测体外充电器发射线圈的电流，动态调整发射功率，实现体内植入装置的恒流充电；
S3：若体内植入装置充满电，则向体外充电器发送充满电信号，体内植入装置关闭，否则进行步骤S2；
S4：体外充电器关闭。
进一步地，在步骤S1之前，有S0步骤：体外充电器和体内植入装置均初始化。
进一步地，步骤S2进一步包括以下步骤：
S21：检测支持型号的植入装置，若检测到支持的型号，则进行步骤S22，否则失败次数加1，继续步骤S1，失败次数不大于5次；
S22：体外充电器的充电线圈发射初始能量；
S23：监测体外充电器发射线圈的电流；
S24：判断发射线圈电流是否有振荡特征，若有则进行步骤S25，否则进行步骤26；
S25：增加体外充电器的发射功率，转到步骤S3；
S26：降低体外充电器的发射功率；
本发明的方案通过体外发射单元检测充电发射线圈上电流的状态，来调整体外发射功率，使得发射功率调整为最低发射功率，调整过程中无需建立通信过程，发射功率的调节过程迅速。
附图说明
附图1是本发明技术方案电路原理图。
附图2是本发明检测控制电路原理图。
附图3是本发明充电控制电路原理图。
附图4是充电发射线圈振荡信号图。
附图5是本专利方法专利的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方法对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明充电系统，包括用于控制发射线圈功率的检测控制电路、电源变换电路、充电发射线圈以及向整个系统提供能量的电源，上述电路均位于体外。充电接收线圈以及与充电接收线圈连接的整流滤波电路、稳压电路、充电控制电路、充电保护电路等均位于体内。其中，所述检测控制电路包括微控制器、电流检测电路和驱动电路，充电控制电路包括充电开关管和充电管理控制芯片。
如图2所示，驱动电路包括驱动放大电路、全桥驱动电路和谐振电容。电流检测电路包括电流互感器和反馈网络。其中驱动电路的驱动放大电路将来自微控制器的驱动信号放大后输入到全桥驱动电路，全桥驱动电路与其后的谐振电容组成谐振电路与充电发射线圈相连，向充电发射线圈提供发射的信号。电源与电源变换电路相连接，电源变换电路的输出电压可由微控制器进行控制，电源变换器给全桥驱动电路供电，从而驱动充电发射线圈发射电磁能量，通过调整电源变换器电路的输出电压，可改变充电发射强度。电源另外与微控制器相连，向微控制器提供驱动电压。电流检测电路中的电流互感器与充电发射线圈相连，将感应到的电流反馈给反馈网络，而反馈网络则将此反馈信号传输给微控制器，从而使得整个充电发射线路形成一个闭环的反馈网络，来实现充电发射线路的实施反馈调整。
充电发射线圈发射一定功率的电磁波，充电接收线圈感应出电流，之后经过整流滤波电流、稳压电路及充电控制电路，实现对可充电电池的恒流充电。并且充电保护电路在电路中负责避免损坏充电电池。其中充电接收线圈可采用空心线圈或内含高磁导率磁芯的线圈，或结合高磁导率磁性薄膜降低充电电磁场对体内电路的电磁干扰；充电接收线圈可并联或串联匹配的谐振电容形成并联谐振或串联谐振回路提高耦合效率后，再进行整流滤波输出；整流滤波电路采用全桥整流技术提高整流效率；稳压电路可选择LDO稳压、电荷泵倍压、或DC/DC稳压器。
如图3所示，为充电控制电路和充电保护的原理图，充电管理芯片与电流采样电阻相连，充电管理控制芯片通过采集采样电阻上的压降来驱动充电控制开关管，同时由充电管理控制芯片向充电控制开关管提供驱动信号。控制开关管的导通程度来保持充电回路的电流恒定。充电保护电路采用专用芯片(如TI的BQ29700)对电池进行过压保护、过放保护。本发明的技术方案中，充电管理控制芯片(如MCP73841)在上电自检(约2S)时充电回路为关断状态，此时滤波电压V会大于V1，充电控制芯片自检通过后，充电回路导通，当体外发射线圈的发射功率不足时，植入装置在整流滤波电压V大于稳压电路输出电压V1时，电池的恒流充电回路导通，对充电电池进行充电操作，但随后会因发射功率不足导致V被拉低至小于V1，此时，电池的恒流充电回路断开；随后，整流滤波电压V会逐渐增加至大于V1，重复前述过程。在电池的充电回路导通和断开的过程中，由于负载阻抗的巨大变化，反映在体外发射线圈上的电流会变化，即如图4所示的发射线圈电流振荡信号，本方案用振荡信号表明外发射功率不足。
本发明还提供一种具有发射功率自适应调节功能的经皮无线充电方法，包括以下步骤：
S0：体外充电器和体内植入装置均初始化，初始化过程主要是体外充电器开机上电，程序自检设备状态合格后发出通信请求，体内植入装置在通信建立后初始化，开启充电模块的功能。
S1：体外充电器与体内植入装置建立通信，这里的通信是指无线通信，主要包括常规的近场NFC、射频通信和蓝牙通信。
S2：通过监测体外充电器发射线圈的电流，动态调整发射功率，实现体内植入装置的恒流充电；
上述S2步骤进一步包括以下步骤：
S21：检测支持型号的植入装置，若检测到支持的型号，则进行步骤S22，否则失败次数加1，继续步骤S1，失败次数不大于5次；
S22：体外充电器的充电线圈发射初始能量；起始阶段，微控制器控制发射线圈工作在预设最大发射功率状态，微控制器发射功率从最大值根据一定的规则降低。
S23：监测体外充电器发射线圈的电流；
S24：判断发射线圈电流是否有振荡特征，若有则进行步骤S25，否则进行步骤26；
S25：增加体外充电器的发射功率；
S26：降低体外充电器的发射功率；
当检测到发射线圈电流发生充电振荡时，则将发射功率微上调，此时发射功率基本在最低发射功率附近。同时结合电路检测电路来监测发射线圈的电流。当一定时间内，发射线圈电流幅值无变化，则表明体内接收能量足够，正在稳定充电。当一定时间内的发射线圈电流发生振荡(图示中标识充电振荡)，则表明当前发射能量不足以给体内可充电电池稳定充电。
在步骤S21检测到支持型号的植入装置以后，进行步骤S22的同时，进行步骤S22’，S22’：体内植入装置监测电池电压、电流和充电芯片状态。
S3：若体内植入装置充满电，则向体外充电器发送充满电信号，体内植入装置关闭，否则进行步骤S2；
S4：体外充电器关闭。当体外充电器接收到来自体内植入装置发送的充满电信号，则体外充电器关闭。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种具有发射功率自适应调节功能的经皮无线充电系统，包括置于人体之外的体外充电器和置于人体之内的体内植入装置，其特征在于，体外充电器包括充电发射线圈，充电发射线圈端连接有检测控制电路用于控制充电发射线圈的发射功率，体内植入装置包括充电接收线圈，充电接收线圈连接有整流滤波电路、充电控制电路和可充电电池；所述检测控制电路包括微控制器、电源变换电路、驱动电路和电流检测电路；
所述电流检测电路包括反馈网络和电流互感器，电流互感器一端连接充电发射线圈，另一端连接反馈网络，反馈网络连接至微控制器，与驱动电路形成一闭环反馈电路。
2.根据权利要求1所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述充电控制电路包括稳压电路、充电开关管、采样电阻、充电管理控制芯片和充电保护电路，充电管理控制芯片通过采集采样电阻上的压降来驱动充电开关管的导通程度。
3.根据权利要求1所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述驱动电路包括驱动放大电路、全桥驱动电路和谐振电容，微控制器与驱动放大电路相连，驱动放大电路与全桥驱动电路相连，全桥驱动电路与谐振电容和充电发射线圈相连。
4.根据权利要求1所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述整流滤波电路为全桥整流电路。
5.根据权利要求1所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述充电接收线圈为空心线圈或内含高磁导率芯的线圈或涂覆有高磁导率薄膜的线圈。
6.根据权利要求3所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述充电接收线圈与谐振电容并联或者串联形成并联谐振或者串联谐振回路。
7.根据权利要求3所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述稳压电路为LDO稳压电路、电荷泵倍压电路或者DC/DC稳压器。
8.一种具有发射功率自适应调节功能的经皮无线充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：体外充电器与体内植入装置建立通信，转到步骤S2；
S2：通过监测体外充电器发射线圈的电流，动态调整发射功率，实现体内植入装置的恒流充电；
S3：向体外充电器发送充满电信号，体内植入装置关闭，转到步骤S4；
S4：体外充电器关闭。
9.根据权利要求8所述的经皮无线充电方法，其特征在于，在步骤S1之前，有步骤S0：体外充电器和体内植入装置均初始化。
10.根据权利要求8所述的经皮无线充电方法，其特征在于，步骤S2进一步包括以下步骤：
S21：判断是否检测到支持型号的植入装置，若检测到支持的型号，则转到步骤S22，否则失败次数加1；若失败次数未大于一定值，则转到步骤S1，否则转到步骤S4；
S22：体外充电器的充电线圈发射初始能量；
S23：监测体外充电器发射线圈的电流；
S24：判断发射线圈电流是否有振荡特征，若有则转到步骤S25，否则转到步骤26；
S25：增加体外充电器的发射功率，转到步骤S27；
S26：降低体外充电器的发射功率，转到步骤S27；
S27:判断体内植入装置是否充满电，若充满则转到步骤S3，否则转到步骤S23。
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