CN108767992A - 一种应用于无线供电植入式辅助供血装置的分段可控阻抗匹配系统 - Google Patents

一种应用于无线供电植入式辅助供血装置的分段可控阻抗匹配系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种应用于无线供电植入式辅助供血装置的分段可控阻抗匹配系统，属于无线电能传输技术领域。所述分段可控阻抗匹配系统包括发射端和接收端；所述发射端包括电池、射频源、切换电路、阻抗匹配电路、发射端谐振电容和发射线圈；所述分段可控阻抗匹配系统具有高效率、大功率无线电能传输特点。

Description

一种应用于无线供电植入式辅助供血装置的分段可控阻抗匹 配系统
技术领域
本发明涉及一种应用于无线供电植入式辅助供血装置的分段可控阻抗匹配系统，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
基于高频领域的无线电能传输技术由于其装置尺寸较小、传输距离较远的突出优势而被广泛应用于智能穿戴、手机等可移动电子设备领域。但现有的无线电能传输系统仅适用于定距离的传输模式，当距离发生变化时，为保证高传输效率及传输功率，需要针对不同传输距离重新设置Π型网络的各个参数，导致该系统无法灵活适应变化的传输距离。若采用电子元件矩阵模式的阻抗匹配网络，会使得整个系统体积过大且控制方式繁琐，失去了高频无线电能传输技术的尺寸优势。现有的植入式人体辅助供血装置传输距离较近，为1-5cm。手术风险较大，且患者活动范围受到限制。另外，当传输距离发生变化时，系统传输效率急剧下降，距离较远时可能导致系统无法正常工作，易导致生命危险。若采用电子元件矩阵模式的阻抗匹配网络进行不同距离的匹配，会使得整个系统体积过大且控制方式繁琐，失去了高频无线电能传输技术的尺寸优势。
发明内容
本发明为了解决现有植入式人体辅助供血装置Π型阻抗匹配网络在传输距离变化的场合下，电容及电感参数难以跟随调整，传输效率低，控制方式繁琐，当传输距离发生变化时，系统传输效率急剧下降，距离较远时可能导致系统无法正常工作，易导致生命危险的问题，提出了一种具有可切换Π型阻抗匹配网络的无线电能传输系统。所采取的技术方案如下：
一种应用于无线供电植入式辅助供血装置的分段可控阻抗匹配系统，所述分段可控阻抗匹配系统包括发射端和接收端；所述发射端包括电池1、射频源2、切换电路3、阻抗匹配电路4、发射端谐振电容5和发射线圈6；所述接收端包括接收线圈7、接收端谐振电容8、高频整流器9、DC-DC转换电路模块10和负载11；其中，负载11指辅助供血装置所述电池1的电能信号输出端与所述射频源2的电能输入端相连；所述射频源2的反射功率信号输出端与所述阻抗匹配电路4的电能信号输入端相连；所述阻抗匹配电路4的电能信号输出端与所述阻抗匹配电路4的电能信号输入端相连；所述阻抗匹配电路4的电能信号输出端通过发射端谐振电容5与所述发射线圈6的电能信号输入端相连；所述发射线圈6的耦合端与接收线圈7的耦合端耦合感应；所述接收线圈7的电能信号输出端通过接收端谐振电容8与所述高频整流器9的电能信号输入端相连；所述高频整流器9的电能信号输出端与所述DC-DC转换电路模块10的电能信号输入端相连；所述DC-DC转换电路模块10的电能信号输出端与所述负载11的电能信号输入端相连；所述分段可控阻抗匹配系统还包括检测电路单元，所述检测电路单元设置于发射端或接收端。
进一步地，所述阻抗匹配电路4采用CLC、LCL或LCC结构的三路射频阻抗匹配电路；所述三路射频阻抗匹配电路的阻抗值对应的距离为：5-8cm对应匹配电路的第一切换电路，所述第一切换电路中，电容X1的容值为300-600pF，电感X2的感值为200-300nH，电容X3的容值为500-1000pF；10-12cm对应匹配电路的第二切换电路，所述第二切换电路中，电容X1的容值为500-1200pF，电感X2的感值为200-400nH，电容X3的容值为1000-2000pF；15-18cm对应匹配电路的第三切换电路，所述第三切换电路中，电容X1的容值为1000-2000pF，电感X2的感值为300-500nH，电容X3的容值为2000-3500pF。
进一步地，所述检测电路单元设置于发射端时，所述检测电路单元包括检测电路a1和控制电路a2；所述检测电路包括定向耦合器，用于检测发射功率的大小。控制电路包括DSP或FPGA或ARM控制模块，用于根据检测电路传递的发射功率大小对阻抗电路进行切换控制。
进一步地，所述检测电路单元设置于发射端时，所述分段可控阻抗匹配系统的阻抗匹配方法包括：
步骤一：控制电路设置反射功率阈值Prmax，所述反射功率阈值Prmax的精度为0.01W；控制电路设置所述阻抗匹配电路的切换信号分别为01、10和11，初始状态为00；
步骤二：位于发射端的检测电路监测发送端的反射功率值Pr，并将检测到的反射功率值Pr的相关数据发送至控制电路；
步骤三：控制电路接收到所述反射功率值Pr的数据后与所述反射功率阈值Prmax进行比较，当Pr≥Prmax时，控制电路向切换电路出切换控制信号启动阻抗匹配切换，使阻抗匹配电路进行阻抗匹配并获得当前的阻抗匹配状态值；其中，功率边角判断的误差范围为±0.1W；
步骤四：根据步骤三所述的阻抗匹配状态值依次进行正序或倒序切换，实现实时的阻抗匹配；当所述分段可控阻抗匹配系统停止工作时，所述控制电路控制所述阻抗匹配电路切换至初始状态00。
进一步地，所述检测电路单元设置于接收端时，所述检测电路单元包括电压传感器、电流传感器、负载检测电路b1、副控电路b2、接收端通信电路b3、发射端通信电路b4和主控电路b5；所述电压传感器的电压信号输出端与所述负载检测电路b1的电压信号输入端相连；所述电流传感器的电流信号输出端与所述负载检测电路b1的电流信号输入端相连；所述负载检测电路b1的负载检测信号输出端与所述副控电路b2的检测信号输入端相连；所述副控电路b2的控制信号输出端与所述DC-DC转换电路模块10的控制信号输入端相连；所述副控电路b2的数据信号输出端通过接收端通信电路b3和发射端通信电路b4与所述主控电路b5的数据信号输入端相连；所述主控电路b5的控制信号输出端与所述切换电路3的切换控制电路输入端相连。
进一步地，所述检测电路单元设置于接收端时，所述分段可控阻抗匹配系统的阻抗匹配方法包括：
第一步：控制电路设置反射功率阈值PLmin，所述反射功率阈值PLmin的精度为0.01W；控制电路设置所述阻抗匹配电路的切换信号分别为01、10和11，初始状态为00；
第二步：通过电压传感器和电流传感器实时监测负载的电流值和电压值；通过电压传感器和电流传感器根据监测到的电压值和电流值计算负载的功率，获得负载的实际功率值；
第三步：对第二步所述负载的实际功率值进行判断，当所述负载的实际功率值低于反射功率阈值PLmin时，所述副控电路采集到所述低于实际功率值的数据后通过接收端通信电路和发射端通信电路发送到主控电路中，所述主控电路向切换电路出切换控制信号启动阻抗匹配切换，使阻抗匹配电路进行阻抗匹配并获得当前的阻抗匹配状态值；其中，功率边角判断的误差范围为±0.1W；其中，在距离逐渐增大时，每当主控电路接收到的负载功率信息PL＜PLmin，则发出切换控制信号，切换顺序为依次从第一切换电路至第三切换电路阻抗匹配电路。
第四步：根据第三步所述的阻抗匹配状态值依次进行正序或倒序切换，实现实时的阻抗匹配；当所述分段可控阻抗匹配系统停止工作时，所述控制电路控制所述阻抗匹配电路切换至初始状态00。
本发明有益效果：
本发明所述分段可控阻抗匹配系统对应不同传输距离段设有三组阻抗匹配电路，并通过控制器进行电路切换控制，实现了在同一工作频率、传输距离变化的场合下提高了电能传输的效率和大功率。保证了高频无线电能传输系统的小尺寸结构，解决了阻抗匹配矩阵结构的控制方式复杂、体积大的问题。本发明所述分段可控阻抗匹配系统的负载阻抗范围为(10-80)±j(0-25)，根据工作频率的不同，虚部范围会有所变化，此处按6.78MHz频率计算。工作过程中，可根据传输距离的变化切换对应的阻抗匹配电路，对应切换范围分别为5-8cm、10-12cm、15-18cm，从而保证在5-20cm传输距离内都能保证高效率、最大功率传输。
附图说明
图1为现有的具备Π型阻抗匹配网络的无线电能传输系统等效电路。
图2为具有可切换控制的Π型阻抗匹配网络的无线电能传输系统等效电路一。
图3为具有可切换控制的Π型阻抗匹配网络的无线电能传输系统等效电路二。
图4为Π型阻抗匹配电路结构。
图5为单刀三掷pin二极管开关切换电路。
图6为实施例1阻抗匹配切换流程图。
图7为实施例2阻抗匹配切换流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种应用于无线供电植入式辅助供血装置的分段可控阻抗匹配系统，如图1、图4和图5所示，所述分段可控阻抗匹配系统包括发射端和接收端；所述发射端包括电池1、射频源2、切换电路3、阻抗匹配电路4、发射端谐振电容5和发射线圈6；所述接收端包括接收线圈7、接收端谐振电容8、高频整流器9、DC-DC转换电路模块10和负载11，其中，负载11指辅助供血装置；所述电池1的电能信号输出端与所述射频源2的电能输入端相连；所述射频源2的反射功率信号输出端与所述阻抗匹配电路4的电能信号输入端相连；所述阻抗匹配电路4的电能信号输出端与所述阻抗匹配电路4的电能信号输入端相连；所述阻抗匹配电路4的电能信号输出端通过发射端谐振电容5与所述发射线圈6的电能信号输入端相连；所述发射线圈6的耦合端与接收线圈7的耦合端耦合感应；所述接收线圈7的电能信号输出端通过接收端谐振电容8与所述高频整流器9的电能信号输入端相连；所述高频整流器9的电能信号输出端与所述DC-DC转换电路模块10的电能信号输入端相连；所述DC-DC转换电路模块10的电能信号输出端与所述负载11的电能信号输入端相连；所述分段可控阻抗匹配系统还包括检测电路单元，所述检测电路单元设置于发射端。通过检测电路中的定向耦合器检测射频源处的反射功率值进行切换控制。开启射频源，根据不同的传输距离，利用切换电路选择施加功率的阻抗匹配电路，使得具有该组电路的无线电能传输系统传输功率达到最大。本方案降低了装置的复杂程度，减小了接收端的尺寸，更适用于植入式医疗领域的应用。
所述阻抗匹配电路4采用CLC、LCL或LCC结构的三路射频阻抗匹配电路；所述三路射频阻抗匹配电路的阻抗值对应的距离为：5-8cm对应匹配电路的第一切换电路，所述第一切换电路中，电容X1的容值为300-600pF，电感X2的感值为200-300nH，电容X3的容值为500-1000pF；10-12cm对应匹配电路的第二切换电路，所述第二切换电路中，电容X1的容值为500-1200pF，电感X2的感值为200-400nH，电容X3的容值为1000-2000pF；15-18cm对应匹配电路的第三切换电路，所述第三切换电路中，电容X1的容值为1000-2000pF，电感X2的感值为300-500nH，电容X3的容值为2000-3500pF。
如图2所述检测电路单元设置于发射端时，所述检测电路单元包括检测电路a1和控制器a2；检测电路包括定向耦合器，用于检测发射功率的大小。控制电路包括DSP或FPGA或ARM控制模块，用于根据检测电路传递的发射功率大小对阻抗电路进行切换控制。
所述检测电路单元设置于发射端时，如图6所示，所述分段可控阻抗匹配系统的阻抗匹配方法包括：
步骤一：控制电路设置反射功率阈值Prmax，所述反射功率阈值Prmax的精度为0.01W；控制电路设置所述阻抗匹配电路的切换信号分别为01、10和11，初始状态为00；
步骤二：位于发射端的检测电路监测发送端的反射功率值Pr，并将检测到的反射功率值Pr的相关数据发送至控制电路；
步骤三：控制电路接收到所述反射功率值Pr的数据后与所述反射功率阈值Prmax进行比较，当Pr≥Prmax时，控制电路向切换电路出切换控制信号启动阻抗匹配切换，使阻抗匹配电路进行阻抗匹配并获得当前的阻抗匹配状态值；其中，功率边角判断的误差范围为±0.1W；一般辅助供血泵正常工作的功率范围为5-20W，对应设定反射功率阈值范围为5-10。该阈值设定与负载正常工作所需功率、射频源输出功率能力和系统效率要求有关，射频源可输出的功率越大，维持负载工作所需功率越小，系统效率要求越低，相应反射功率阈值Prmax可适当增大；
步骤四：根据步骤三所述的阻抗匹配状态值依次进行正序或倒序切换，实现实时的阻抗匹配；当所述分段可控阻抗匹配系统停止工作时，所述控制电路控制所述阻抗匹配电路切换至初始状态00。
将监测电路设置在发射端后，由于接收端需要放置于人体内，监测电路置于发射端可极大地缩小植入人体的装置尺寸，减小手术风险，减轻患者负担。
实施例2
一种应用于无线供电植入式辅助供血装置的分段可控阻抗匹配系统，如图1、图4和图5所示，所述分段可控阻抗匹配系统包括发射端和接收端；所述发射端包括电池1、射频源2、切换电路3、阻抗匹配电路4、发射端谐振电容5和发射线圈6；所述接收端包括接收线圈7、接收端谐振电容8、高频整流器9、DC-DC转换电路模块10和负载11；所述电池1的电能信号输出端与所述射频源2的电能输入端相连；所述射频源2的反射功率信号输出端与所述阻抗匹配电路4的电能信号输入端相连；所述阻抗匹配电路4的电能信号输出端与所述阻抗匹配电路4的电能信号输入端相连；所述阻抗匹配电路4的电能信号输出端通过发射端谐振电容5与所述发射线圈6的电能信号输入端相连；所述发射线圈6的耦合端与接收线圈7的耦合端耦合感应；所述接收线圈7的电能信号输出端通过接收端谐振电容8与所述高频整流器9的电能信号输入端相连；所述高频整流器9的电能信号输出端与所述DC-DC转换电路模块10的电能信号输入端相连；所述DC-DC转换电路模块10的电能信号输出端与所述负载11的电能信号输入端相连；所述分段可控阻抗匹配系统还包括检测电路单元，所述检测电路单元设置于接收端，检测负载功率通过通信电路传递至发射端。
所述阻抗匹配电路4采用CLC、LCL或LCC结构的三路射频阻抗匹配电路；所述三路射频阻抗匹配电路的阻抗值对应的距离为：5-8cm对应匹配电路的第一切换电路，所述第一切换电路中，电容X1的容值为300-600pF，电感X2的感值为200-300nH，电容X3的容值为500-1000pF；10-12cm对应匹配电路的第二切换电路，所述第二切换电路中，电容X1的容值为500-1200pF，电感X2的感值为200-400nH，电容X3的容值为1000-2000pF；15-18cm对应匹配电路的第三切换电路，所述第三切换电路中，电容X1的容值为1000-2000pF，电感X2的感值为300-500nH，电容X3的容值为2000-3500pF。
所述检测电路单元设置于接收端时，如图3所述检测电路单元包括电压传感器、电流传感器、负载检测电路b1、副控电路b2、接收端通信电路b3、发射端通信电路b4和主控电路b5；所述电压传感器的电压信号输出端与所述负载检测电路b1的电压信号输入端相连；所述电流传感器的电流信号输出端与所述负载检测电路b1的电流信号输入端相连；所述负载检测电路b1的负载检测信号输出端与所述副控电路b2的检测信号输入端相连；所述副控电路b2的控制信号输出端与所述DC-DC转换电路模块10的控制信号输入端相连；所述副控电路b2的数据信号输出端通过接收端通信电路b3和发射端通信电路b4与所述主控电路b5的数据信号输入端相连；所述主控电路b5的控制信号输出端与所述切换电路3的切换控制电路输入端相连。
其中，负载检测电路包括电压传感器和电流传感器；副控电路包括DSP或FPGA或ARM控制芯片，对DC-DC电路的占空比进行控制，控制范围为0-1，当检测负载电压值小于负载工作所需电压值VLmin时，通信电路包括蓝牙或WIFI或ZIGBEE通信模块，用于将接收端的电压、电流和功率信息传递给发射端控制电路进行处理。主控电路包括DSP或FPGA或ARM控制模块，用于根据通信电路传递的功率信息对阻抗匹配电路进行控制。
所述检测电路单元设置于接收端时，如图7所示，所述分段可控阻抗匹配系统的阻抗匹配方法包括：
第一步：控制电路设置反射功率阈值PLmin，所述反射功率阈值PLmin的精度为0.01W；控制电路设置所述阻抗匹配电路的切换信号分别为01、10和11，初始状态为00；
第二步：通过电压传感器和电流传感器实时监测负载的电流值和电压值；通过电压传感器和电流传感器根据监测到的电压值和电流值计算负载的功率，获得负载的实际功率值；
第三步：对第二步所述负载的实际功率值进行判断，当所述负载的实际功率值低于反射功率阈值PLmin时，所述副控电路采集到所述低于实际功率值的数据后通过接收端通信电路和发射端通信电路发送到主控电路中，所述主控电路向切换电路出切换控制信号启动阻抗匹配切换，使阻抗匹配电路进行阻抗匹配并获得当前的阻抗匹配状态值；其中，功率边角判断的误差范围为±0.1W；距离变化时，每当负载功率值低于最小阈值，则进行切换，按距离变化顺序依次切换阻抗匹配电路；
第四步：根据第三步所述的阻抗匹配状态值依次进行正序或倒序切换，实现实时的阻抗匹配；当所述分段可控阻抗匹配系统停止工作时，所述控制电路控制所述阻抗匹配电路切换至初始状态00。
将监测电路设置在接收端后，检测电路置于接收端使得对负载工作的控制灵敏度更高，延时更短；同时添加了副控电路使得精确度更高，负载工作的鲁棒性更强。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种应用于无线供电植入式辅助供血装置的分段可控阻抗匹配系统，其特征在于，所述分段可控阻抗匹配系统包括发射端和接收端；所述发射端包括电池(1)、射频源(2)、切换电路(3)、阻抗匹配电路(4)、发射端谐振电容(5)和发射线圈(6)；所述接收端包括接收线圈(7)、接收端谐振电容(8)、高频整流器(9)、DC-DC转换电路模块(10)和负载(11)；所述电池(1)的电能信号输出端与所述射频源(2)的电能输入端相连；所述射频源(2)的反射功率信号输出端与所述阻抗匹配电路(4)的电能信号输入端相连；所述阻抗匹配电路(4)的电能信号输出端与所述阻抗匹配电路(4)的电能信号输入端相连；所述阻抗匹配电路(4)的电能信号输出端通过发射端谐振电容(5)与所述发射线圈(6)的电能信号输入端相连；所述发射线圈(6)的耦合端与接收线圈(7)的耦合端耦合感应；所述接收线圈(7)的电能信号输出端通过接收端谐振电容(8)与所述高频整流器(9)的电能信号输入端相连；所述高频整流器(9)的电能信号输出端与所述DC-DC转换电路模块(10)的电能信号输入端相连；所述DC-DC转换电路模块(10)的电能信号输出端与所述负载(11)的电能信号输入端相连；所述分段可控阻抗匹配系统还包括检测电路单元，所述检测电路单元设置于发射端或接收端。
2.根据权利要求1所述分段可控阻抗匹配系统，其特征在于，所述阻抗匹配电路(4)采用CLC、LCL或LCC结构的三路射频阻抗匹配电路；所述三路射频阻抗匹配电路的阻抗值对应的距离为：5-8cm对应匹配电路的第一切换电路，所述第一切换电路中，电容X1的容值为300-600pF，电感X2的感值为200-300nH，电容X3的容值为500-1000pF；10-12cm对应匹配电路的第二切换电路，所述第二切换电路中，电容X1的容值为500-1200pF，电感X2的感值为200-400nH，电容X3的容值为1000-2000pF；15-18cm对应匹配电路的第三切换电路，所述第三切换电路中，电容X1的容值为1000-2000pF，电感X2的感值为300-500nH，电容X3的容值为2000-3500pF。
3.根据权利要求1所述分段可控阻抗匹配系统，其特征在于，所述检测电路单元设置于发射端时，所述检测电路单元包括检测电路(a1)和控制电路(a2)。
4.根据权利要求3所述分段可控阻抗匹配系统，其特征在于，所述检测电路单元设置于发射端时，所述分段可控阻抗匹配系统的阻抗匹配方法包括：
步骤一：控制电路设置反射功率阈值Prmax，所述反射功率阈值Prmax的精度为0.01W；控制电路设置所述阻抗匹配电路的切换信号分别为01、10和11，初始状态为00；
步骤二：位于发射端的检测电路监测发送端的反射功率值Pr，并将检测到的反射功率值Pr的相关数据发送至控制电路；
步骤三：控制电路接收到所述反射功率值Pr的数据后与所述反射功率阈值Prmax进行比较，当Pr≥Prmax时，控制电路向切换电路出切换控制信号启动阻抗匹配切换，使阻抗匹配电路进行阻抗匹配并获得当前的阻抗匹配状态值；其中，功率边角判断的误差范围为±0.1W；
步骤四：根据步骤三所述的阻抗匹配状态值依次进行正序或倒序切换，实现实时的阻抗匹配；当所述分段可控阻抗匹配系统停止工作时，所述控制电路控制所述阻抗匹配电路切换至初始状态00。
5.根据权利要求1所述分段可控阻抗匹配系统，其特征在于，所述检测电路单元设置于接收端时，所述检测电路单元包括电压传感器、电流传感器、负载检测电路(b1)、副控电路(b2)、接收端通信电路(b3)、发射端通信电路(b4)和主控电路(b5)；所述电压传感器的电压信号输出端与所述负载检测电路(b1)的电压信号输入端相连；所述电流传感器的电流信号输出端与所述负载检测电路(b1)的电流信号输入端相连；所述负载检测电路(b1)的负载检测信号输出端与所述副控电路(b2)的检测信号输入端相连；所述副控电路(b2)的控制信号输出端与所述DC-DC转换电路模块(10)的控制信号输入端相连；所述副控电路(b2)的数据信号输出端通过接收端通信电路(b3)和发射端通信电路(b4)与所述主控电路(b5)的数据信号输入端相连；所述主控电路(b5)的控制信号输出端与所述切换电路(3)的切换控制电路输入端相连。
6.根据权利要求5所述分段可控阻抗匹配系统，其特征在于，所述检测电路单元设置于接收端时，所述分段可控阻抗匹配系统的阻抗匹配方法包括：
第一步：控制电路设置反射功率阈值PLmin，所述反射功率阈值PLmin的精度为0.01W；控制电路设置所述阻抗匹配电路的切换信号分别为01、10和11，初始状态为00；
第二步：通过电压传感器和电流传感器实时监测负载的电流值和电压值；通过电压传感器和电流传感器根据监测到的电压值和电流值计算负载的功率，获得负载的实际功率值；
第三步：对第二步所述负载的实际功率值进行判断，当所述负载的实际功率值低于反射功率阈值PLmin时，所述副控电路采集到所述低于实际功率值的数据后通过接收端通信电路和发射端通信电路发送到主控电路中，所述主控电路向切换电路出切换控制信号启动阻抗匹配切换，使阻抗匹配电路进行阻抗匹配并获得当前的阻抗匹配状态值；其中，功率边角判断的误差范围为±0.1W；
第四步：根据第三步所述的阻抗匹配状态值依次进行正序或倒序切换，实现实时的阻抗匹配；当所述分段可控阻抗匹配系统停止工作时，所述控制电路控制所述阻抗匹配电路切换至初始状态00。
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