CN111276934B - 一种电刺激保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电刺激保护装置，其中信号采集及处理在电刺激脉冲产生电路升压电路的初级侧进行，省去了在输出回路进行信号处理的隔离电源电路，简化了电路、降低了成本，同时通过软件过流保护、硬件过流保护和空载保护这三重保护，提高了过载保护的安全可靠性。

Description

一种电刺激保护装置
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种电刺激保护装置。
背景技术
目前，对电刺激过载保护，主要采用的以下几种方式，第一种方式是在输出回路中串联一个采样电阻，此电阻上得到与输出电刺激电流成正比的脉冲电压信号，此信号经过光耦后传送到D/A转换器，MCU实时采集电流大小，当电刺激电流值超过一个设定的值时，MCU控制电刺激脉冲产生电路停止电刺激输出，从而避免意外情况对病人造成伤害。然而，此种过流保护弊端在于：MCU控制电路及软件需正常运行，采样电阻阻值需精确，D/A转换器需能正常工作，否则无法判定输出电刺激电流是否过载，因此，大大降低了其安全性能的可靠性。
另外一种电刺激过载保护装置，同样采用在输出回路中串联一个采样电阻，此电阻上得到与输出电刺激电流成正比的脉冲电压信号。此信号在高压侧与设定的电流值进行比较，直接控制切断电刺激输出信号。此种过流保护电路因在输出回路进行信号比对，需要增加隔离电源供电来满足患者应用部分与带电部分之间的安规要求，电路复杂，价格高，体积大。
第三种电刺激过载保护装置，采用精准零漂移电流检测放大器实时检测电流大小，过流后控制后面的比较器输出翻转，通过MOS管和与门构成的开关电路来断开电源。此种过流保护装置的电源由外部电源提供，电路可靠性降低，若外部电源未正常则保护电路无法正常工作，且电流检测放大器价格高，电路复杂。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种电刺激保护装置，在电刺激脉冲产生电路升压电路的初级侧串联采样电阻，此电阻上得到与输出电刺激电流成正比的脉冲电压信号。此电压信号传送到MCU，通过MCU实时采集电流大小，当刺激电流超过一个设定的值时，MCU控制电刺激脉冲产生电路断开电源，实现软件过流保护。同时，此电压与一个设定的电压值比较，当电压超过设定的电压值时，比较器输出翻转，并将信号传输给计数器，计数器计算过流脉冲数。当计数器计数溢出时，溢出信号控制电刺激脉冲产生电路断开电源，实现硬件过流保护。升压电路变压器第三个绕组采集电刺激输出电压值，当空载时，采集到的电压值超过设定的电压值，输出信号翻转，MCU控制电刺激脉冲产生电路断开电源，实现空载保护。
为了达到上述目的，本发明电刺激保护装置包括供电电源、MCU主控电路、电刺激产生电路、电刺激输出电路、过流检测电路和空载检测电路。
其中供电电源用于给电刺激产生电路供电；MCU主控电路用于产生电刺激脉冲信号、实时采集电刺激电流大小、控制电源供电使能、采集过流溢出信号和空载信号等，控制整个电刺激电路工作；电刺激产生电路包括脉冲产生电路、恒流驱动电路和变压器，实现特定的电刺激脉冲方波输出；电刺激输出电路用于实现电刺激输出双向平衡波；过流检测电路用于检测电刺激过流脉冲波个数，并产生溢出信号；空载检测电路用于检测电刺激输出是否空载，并将空载信号传送给MCU。
电源供电由MCU使能控制信号和过流溢出信号同时控制，必须在2个信号同时正确时，才能实现电刺激产生电路供电，实现软件和硬件双重保护。
MCU主控电路产生电源供电使能，与过流保护溢出位同时控制电刺激产生电路供电，实现软件、硬件同时控制，提高可靠性。MCU产生电刺激脉冲信号，经过脉冲产生电路，控制恒流驱动电路的MOS管导通/断开，控制采样电阻两端电压，从而控制电刺激输出脉冲方波和电流大小；实时采集电刺激电流大小，与需要的电刺激电流大小比对，当出现过流时，断开电源供电；实时采集过流保护电路中计数器溢出信号，当检测到溢出信号时，断开电源供电；实时采集空载保护信号，当检测到空载信号时，断开电源供电。
电刺激产生电路由脉冲产生电路、恒流驱动电路和变压器组成，其中脉冲产生电路控制电刺激输出脉冲波的频率、脉宽和电流大小。
过流检测电路通过采集采样电阻两端电压，与参考电压进行比对，当采样电阻两端电压超过参考电压时，比较器输出翻转，并将信号传输给计数器，用于计算过流脉冲个数。当过流脉冲个数达到设定值时，产生溢出信号，控制电源供电使能；同时将溢出信号传送给MCU，MCU同步控制电源供电使能，实现双重保护。
空载检测电路通过变压器等比例采集电刺激输出电压大小，与设定的参考电压比较，空载时检测到的电压值大于设定参考电压，比较器输出翻转，并将信号传输给MCU，控制电源供电使能断开，实现空载保护。
其中电源供电模块由外部电源供电，通过开关电路给电刺激产生电路供电，开关电路包括PMOS管、第一NMOS管、第一与门和保险管，MCU产生的使能信号为高，同时过流溢出信号为高时，第一与门输出高电平，控制第一NMOS管导通，从而控制PMOS管导通，外部电源给电刺激电路供电，当使能信号和过流溢出信号任一信号为低时，第一与门输出低电平，第一NMOS管截止，则PMOS管截止，外部电源停止给电刺激电路供电，保险管限制电源供电电流，保护后端电路。
进一步地，电刺激产生电路包括脉冲产生电路、恒流驱动电路和变压器，其中脉冲产生电路由第一电阻、第一电容、第一分压电阻、第二分压电阻、第二电容和运放组成，MCU产生特定频率、脉宽和幅值的电刺激脉冲信号，该信号经过第一电阻和第一电容组成的RC低通滤波电路滤除高频干扰后输入运放的3脚，经过由运放的A路运放组成的电压跟随器，从运放的1脚输出，第一分压电阻和第二分压电阻组成的分压电路将该信号按比例缩小，第二电容滤除信号尖峰，然后输入运放的5脚，运放的B路运放、第一采样电阻、第二采样电阻和第二NMOS管组成恒流驱动电路，流过第二采样电阻的电流大小由运放的6脚脉冲幅值决定，而运放的6脚电压与5脚电压基本相等，当运放的5脚电压幅值不变时，流过第二采样电阻的电流大小不变，从而实现恒流，运放的6脚电压与5脚电压瞬时大小差异决定运放的7脚输出高电平或低电平；运放的7脚与第二NMOS管的1脚相连，控制第二NMOS管的导通/断开，第二采样电阻、第一采样电阻、第二NMOS管和变压器的N1绕组串联，流过第二采样电阻的电刺激脉冲信号与流过变压器的初级侧N1绕组信号相同，变压器的匝比N1:N2:N3＝1:20:1，通过变压器，按比例放大电刺激脉冲信号传输到N2绕组，N2绕组与电刺激输出电路相连，然后传输到人体，实现对人体进行刺激的功能。
进一步地，其中将第一采样电阻和第二采样电阻串联后两端的电压值信号传输给MCU，当检测到的电压值超过设定的电压值时，MCU将使能信号置低，断开供电，电刺激停止输出，起到保护的作用。
进一步地，其中将第二采样电阻两端电压值信号与第二参考电压进行比对，当第二采样电阻两端电压值大于第二参考电压时，第二比较器输出低电平，第二比较器的4脚和第二与门的1脚相连，溢出信号与第二与门的2脚相连，第二与门输出脚与计数器的4脚相连，同时溢出信号与第一与门的2脚相连，在没有过流时，溢出信号默认为高电平，第二与门输出高电平；当过流时，第二比较器输出低电平，则第二与门输出低电平，计数器计算低电平脉冲个数，当过流脉冲个数达到设定值时，溢出信号翻转为低电平，则第一与门输出低电平，供电电源断开，停止输出电刺激；同时第二与门输出低电平，使计数器当前状态被锁定，必须通过MCU重新发送清零信号，才能清除计数器当前状态，确保过流保护功能的有效性。
进一步地，其中所述空载检测电路由变压器的N3绕组、第七电阻、第八电阻和第三电容、第一肖特基二极管和第二肖特基二极管、第四电容、第三分压电阻和第四分压电阻、第一比较器组成，其中变压器的匝比N1:N2:N3＝1:20:1，则初级侧电压值VN1、电刺激输出电压值VN2与N3绕组两端电压值VN3的比值为1:20:1，N3绕组两端电压值与电刺激输出电压值成比例；第八电阻和第三电容串联后跨接在N3绕组两端，吸收漏感尖峰；N3绕组两端电压值经过第七电阻限流、第一肖特基二极管和第二肖特基二极管整流、第三分压电阻和第四分压电阻进行分压、第四电容滤除尖峰后，输入到第一比较器的1脚，该信号与第一参考电压进行比较；当输出空载时，该信号比第一参考电压大，第一比较器输出信号为低电平，该信号传输给MCU，MCU控制使能信号置低，断开供电电源，停止电刺激输出，起到保护作用。
相较于现有技术，本发明提供的电刺激保护装置，信号采集及处理在电刺激脉冲产生电路升压电路的初级侧进行，省去了在输出回路进行信号处理的隔离电源电路，简化了电路、降低了成本，同时通过软件过流保护、硬件过流保护和空载保护这三重保护，提高了过载保护的安全可靠性。
附图说明
图1为本发明电刺激保护装置的示意图；
图2为本发明电刺激保护装置电刺激电路示意图；
图3为本发明电刺激保护装置过流检测电路示意图；
图4为空载检测电路示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明电刺激保护装置包括电源供电模块、MCU主控电路、电刺激产生电路、电刺激输出电路、过流检测电路和空载检测电路。
其中电源供电模块由外部电源供电(网络标号：VCC12)，通过开关电路给电刺激产生电路供电。开关电路包括PMOS管Q5(型号：SI2343DS)、第一NMOS管Q6(型号：BSS138TA)、第一与门U13(型号：SN74LVC1G08DBV)和保险管F401。MCU产生的使能信号STIM_EN为高，同时过流溢出信号Over_Current为高时，第一与门U13输出高电平，控制第一NMOS管Q6导通，从而控制PMOS管Q5导通，外部电源VCC12给电刺激电路供电。当使能信号STIM_EN和过流溢出信号Over_Current任一信号为低时，第一与门U13输出低电平，第一NMOS管Q6截止，则PMOS管Q5截止，外部电源VCC12停止给电刺激电路供电。保险管F401限制电源供电电流，保护后端电路。
电刺激产生电路包括脉冲产生电路、恒流驱动电路和变压器T1，其中脉冲产生电路由第一电阻R409、第一电容C403、第一分压电阻R408、第二分压电阻R407、第二电容C402和运放U10(型号：TP1282L1)组成。MCU产生特定频率、脉宽和幅值的电刺激脉冲信号STIM_PWM，该信号经过第一电阻R409和第一电容C403组成的RC低通滤波电路滤除高频干扰后输入运放U10的3脚，经过由运放U10的A路运放组成的电压跟随器，从运放U10的1脚输出，第一分压电阻R408和第二分压电阻R407组成的分压电路将该信号按比例缩小，第二电容C402滤除信号尖峰，然后输入运放U10的5脚。运放U10的B路运放、第一采样电阻R404、第二采样电阻R406和第二NMOS管Q7组成恒流驱动电路，流过第二采样电阻R406的电流大小由运放U10的6脚脉冲幅值决定，而运放U10的6脚电压与5脚电压基本相等，当运放U10的5脚电压幅值不变时，流过第二采样电阻R406的电流大小不变，从而实现恒流。运放U10的6脚电压与5脚电压瞬时大小差异决定运放U10的7脚输出高电平或低电平；运放U10的7脚与第二NMOS管Q7的1脚相连，控制第二NMOS管Q7的导通/断开。第二采样电阻R406、第一采样电阻R404、第二NMOS管Q7和变压器T1的N1绕组串联，流过第二采样电阻R406的电刺激脉冲信号与流过变压器T1的初级侧(N1绕组)信号相同，变压器T1的匝比N1:N2:N3＝1:20:1，通过变压器，按比例放大电刺激脉冲信号传输到N2绕组，N2绕组与电刺激输出电路相连，然后传输到人体，实现对人体进行刺激的功能。
其中，上述采样电阻由第一采样电阻R404和第二采样电阻R406两个电阻组成，避免了由于单个采样电阻出现异常而无法进行电流大小采集，提高了过流保护的可靠性。
STIM_Check信号为第一采样电阻R404和第二采样电阻R406串联后两端的电压值，将该信号传输给MCU，当检测到的电压值超过设定的电压值时，MCU将使能信号STIM_EN置低，断开供电，电刺激停止输出，起到保护的作用。
参见图3，为本发明电刺激保护装置的过流检测电路(图3)：STIM_Check2为第二采样电阻R406两端电压值，将该信号STIM_Check2与第二参考电压Ref2进行比对，当第二采样电阻R406两端电压值大于第二参考电压Ref2时，第二比较器U14(型号：LM397)输出低电平，第二比较器U14的4脚和第二与门U15(型号：SN74LVC1G08DBV)的1脚相连，溢出信号Over_Current与第二与门U15的2脚相连，第二与门U15输出脚(4脚)与计数器U16(型号：SN74HC193DR)的4脚相连，同时溢出信号Over_Current与第一与门U13的2脚相连。在没有过流时，溢出信号Over_Current默认为高电平，第二与门U15输出高电平；当过流时，第二比较器U14输出低电平，则第二与门U15输出低电平，计数器U16计算低电平脉冲个数，当过流脉冲个数达到设定值时，溢出信号Over_Current翻转为低电平，则第一与门U13输出低电平，供电电源断开，停止输出电刺激；同时第二与门U15输出低电平，使计数器当前状态被锁定，必须通过MCU重新发送清零信号STIM_CLR，才能清除计数器当前状态，确保过流保护功能的有效性。可通过选贴第二电阻R436、第三电阻R437、第四电阻R438，第五电阻R439、第六电阻R450中任一电阻，来决定采样到多少个过流脉冲信号时翻转溢出信号Over_Current，实现过流检测灵敏度可调。
参见图4，为本发明电刺激保护装置的空载检测电路，由变压器T1的N3绕组、第七电阻R418、第八电阻R444和第三电容C413、第一肖特基二极管D4和第二肖特基二极管D5、第四电容C405、第三分压电阻R413和第四分压电阻R414、第一比较器U12(LM397)组成。隔离变压器T1的匝比N1:N2:N3＝1:20:1，则VN1:VN2:VN3＝1:20:1，N3绕组两端电压值VN3与电刺激输出电压值VN2成比例；第八电阻R444和第三电容C413串联后跨接在N3绕组两端，吸收漏感尖峰；VN3经过第七电阻R418限流、第一肖特基二极管D4(SS310)和第二肖特基二极管D5(SS310)整流、第三分压电阻R413和第四分压电阻R414进行分压、第四电容C405滤除尖峰后，输入到第一比较器U12的1脚，该信号与第一参考电压Ref1进行比较；当输出空载时，该信号比第一参考电压Ref1大，第一比较器U12(型号：LM397)输出信号STIM_OFF为低电平，STIM_OFF传输给MCU，MCU控制STIM_EN置低，断开供电电源，停止电刺激输出，起到保护作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电刺激保护装置，包括电源供电模块、MCU主控电路、电刺激产生电路、电刺激输出电路、过流检测电路和空载检测电路，其中电源供电模块由外部电源供电，通过开关电路给电刺激产生电路供电，开关电路包括PMOS管(Q5)、第一NMOS管(Q6)、第一与门(U13)和保险管(F401)，MCU产生的使能信号(STIM_EN)为高，同时过流溢出信号(Over_Current)为高时，第一与门(U13)输出高电平，控制第一NMOS管(Q6)导通，从而控制PMOS管(Q5)导通，外部电源(VCC12)给电刺激电路供电，当使能信号(STIM_EN)和过流溢出信号(Over_Current)任一信号为低时，第一与门(U13)输出低电平，第一NMOS管(Q6)截止，则PMOS管(Q5)截止，外部电源(VCC12)停止给电刺激电路供电，保险管(F401)限制电源供电电流，保护后端电路,其中电刺激产生电路包括脉冲产生电路、恒流驱动电路和变压器(T1)，其中脉冲产生电路由第一电阻(R409)、第一电容(C403)、第一分压电阻(R408)、第二分压电阻(R407)、第二电容(C402)和运放(U10)组成，MCU产生特定频率、脉宽和幅值的电刺激脉冲信号(STIM_PWM)，该信号经过第一电阻(R409)和第一电容(C403)组成的RC低通滤波电路滤除高频干扰后输入运放(U10)的3脚，经过由运放(U10)的A路运放组成的电压跟随器，从运放(U10)的1脚输出，第一分压电阻(R408)和第二分压电阻(R407)组成的分压电路将该信号按比例缩小，第二电容(C402)滤除信号尖峰，然后输入运放(U10)的5脚，运放(U10)的B路运放、第一采样电阻(R404)、第二采样电阻(R406)和第二NMOS管(Q7)组成恒流驱动电路，流过第二采样电阻(R406)的电流大小由运放(U10)的6脚脉冲幅值决定，而运放(U10)的6脚电压与5脚电压基本相等，当运放(U10)的5脚电压幅值不变时，流过第二采样电阻(R406)的电流大小不变，从而实现恒流，运放(U10)的6脚电压与5脚电压瞬时大小差异决定运放(U10)的7脚输出高电平或低电平；运放(U10)的7脚与第二NMOS管(Q7)的1脚相连，控制第二NMOS管(Q7)的导通/断开，第二采样电阻(R406)、第一采样电阻(R404)、第二NMOS管(Q7)和变压器(T1)的N1绕组串联，流过第二采样电阻(R406)的电刺激脉冲信号与流过变压器(T1)的初级侧N1绕组信号相同，变压器(T1)的匝比N1:N2:N3＝1:20:1，通过变压器，按比例放大电刺激脉冲信号传输到N2绕组，N2绕组与电刺激输出电路相连，然后传输到人体，实现对人体进行刺激的功能。
2.根据权利要求1所述的一种电刺激保护装置，其中将第一采样电阻(R404)和第二采样电阻(R406)串联后两端的电压值信号(STIM_Check)传输给MCU，当检测到的电压值超过设定的电压值时，MCU将使能信号(STIM_EN)置低，断开供电，电刺激停止输出，起到保护的作用。
3.根据权利要求1所述的一种电刺激保护装置，其中将第二采样电阻(R406)两端电压值信号(STIM_Check2)与第二参考电压(Ref2)进行比对，当第二采样电阻(R406)两端电压值大于第二参考电压(Ref2)时，第二比较器(U14)输出低电平，第二比较器(U14)的4脚和第二与门(U15)的1脚相连，溢出信号(Over_Current)与第二与门(U15)的2脚相连，第二与门(U15)输出脚与计数器(U16)的4脚相连，同时溢出信号(Over_Current)与第一与门(U13)的2脚相连，在没有过流时，溢出信号(Over_Current)默认为高电平，第二与门(U15)输出高电平；当过流时，第二比较器(U14)输出低电平，则第二与门(U15)输出低电平，计数器(U16)计算低电平脉冲个数，当过流脉冲个数达到设定值时，溢出信号(Over_Current)翻转为低电平，则第一与门(U13)输出低电平，供电电源断开，停止输出电刺激；同时第二与门(U15)输出低电平，使计数器当前状态被锁定，必须通过MCU重新发送清零信号(STIM_CLR)，才能清除计数器当前状态，确保过流保护功能的有效性。
4.根据权利要求1所述的一种电刺激保护装置，其中所述空载检测电路由变压器(T1)的N3绕组、第七电阻(R418)、第八电阻(R444)和第三电容(C413)、第一肖特基二极管(D4)和第二肖特基二极管(D5)、第四电容(C405)、第三分压电阻(R413)和第四分压电阻(R414)、第一比较器(U12)组成，其中变压器(T1)的匝比N1:N2:N3＝1:20:1，则初级侧电压值VN1、电刺激输出电压值VN2与N3绕组两端电压值VN3的比值为1:20:1，N3绕组两端电压值(VN3)与电刺激输出电压值(VN2)成比例；第八电阻(R444)和第三电容(C413)串联后跨接在N3绕组两端，吸收漏感尖峰；N3绕组两端电压值(VN3)经过第七电阻(R418)限流、第一肖特基二极管(D4)和第二肖特基二极管(D5)整流、第三分压电阻(R413)和第四分压电阻(R414)进行分压、第四电容(C405)滤除尖峰后，输入到第一比较器(U12)的1脚，该信号与第一参考电压(Ref1)进行比较；当输出空载时，该信号比第一参考电压(Ref1)大，第一比较器(U12)输出信号(STIM_OFF)为低电平，该信号传输给MCU，MCU控制使能信号(STIM_EN)置低，断开供电电源，停止电刺激输出，起到保护作用。
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