CN113991789A - 一种用于植入医疗装置的充放电路 - Google Patents

一种用于植入医疗装置的充放电路 Download PDF

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CN113991789A CN202111287274.XA CN202111287274A CN113991789A CN 113991789 A CN113991789 A CN 113991789A CN 202111287274 A CN202111287274 A CN 202111287274A CN 113991789 A CN113991789 A CN 113991789A
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charging
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郑建建
白永恒
郎志超
魏正则
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Abstract

本发明公开了一种用于植入医疗装置的充放电路，包括n个充放电单元、充电控制开关、电感L、高频滤波电容Cf、放电控制开关和充电控制模块，所述充放电单元由电容Ci、PMOS管
Figure DDA0003333583740000015
和控制单元组成，PMOS管
Figure DDA0003333583740000013
的源极与控制单元以及电容Ci的一端连接，PMOS管
Figure DDA0003333583740000014
的栅极与控制单元连接，电容Ci的另一端接地，控制单元与充电控制模块连接；所述充电控制开关由PMOS管Qin组成，放电控制开关由MOS管
Figure DDA0003333583740000011
和
Figure DDA0003333583740000012
组成；本发明通过整体结构的设置，使其输出电流值可调节，能大大提高输出电流的范围，输入充电速度可调控，能在保证安全的情况下提高充电速度，且电路简单，成本低。

Description

一种用于植入医疗装置的充放电路
技术领域
本发明涉及医疗电子领域，特别涉及一种用于植入医疗装置的充放电路。
背景技术
可植入医疗装置被用来监测患者身体状况和/或对患者相关疾病进行治疗，诸如心脏起搏器、除颤器、CRTD等。为满足长期使用，可植入医疗装置的工作寿命需要大大延长，往往需要工作几个月、甚至几年和数十年。现有技术往往是通过采用可再充电电源和控制系统实现装置寿命的延长。但该方式是通过补充能量的方式实现工作寿命的延长，其需要复杂的非接触式皮下充电系统，增加了系统的复杂性和成本，降低了系统的可靠性。因而，设计一种可延长工作寿命的高效低功耗的电路成为业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于植入医疗装置的充放电路。本发明输出电流值可调节，能大大提高输出电流的范围，输入充电速度可调控，能在保证安全的情况下提高充电速度，且电路简单，成本低。
本发明的技术方案：一种用于植入医疗装置的充放电路，包括n个充放电单元、充电控制开关、电感L、高频滤波电容Cf、放电控制开关和充电控制模块，所述充放电单元由电容Ci、PMOS管
Figure BDA0003333583720000011
和控制单元组成，PMOS管
Figure BDA0003333583720000021
的源极与控制单元以及电容Ci的一端连接，PMOS管
Figure BDA0003333583720000022
的栅极与控制单元连接，电容Ci的另一端接地，控制单元与充电控制模块连接；所述充电控制开关由PMOS管Qin组成，放电控制开关由MOS管
Figure BDA0003333583720000023
和
Figure BDA0003333583720000024
组成；其中，i为充放电单元的位序，且1≤i≤n，当i＝1时，在第一个充放电单元中，PMOS管
Figure BDA0003333583720000025
的源极、电容C1的一端和控制单元均与电感L的一端连接；当1≤i<n时，在第i个充放电单元中，PMOS管
Figure BDA0003333583720000026
的漏极与第i+1个充放电单元中的PMOS管
Figure BDA0003333583720000027
电容Ci+1的一端以及控制单元连接；当i＝n时，在第n个充放电单元中，PMOS管
Figure BDA0003333583720000028
的漏极与充电控制模块的负极、高频滤波电容Cf的一端以及放电控制开关中的MOS管
Figure BDA0003333583720000029
的源极连接；所述高频滤波电容Cf的另一端接地，在放电控制开关中，MOS管
Figure BDA00033335837200000210
的栅极与MOS管
Figure BDA00033335837200000211
的漏极连接，MOS管
Figure BDA00033335837200000212
的源极接地，MOS管
Figure BDA00033335837200000213
的漏极与电流输出端连接；所述电感L的另一端与充电控制开关的PMOS管Qin的漏极连接，PMOS管Qin的源极与电流输入端连接，PMOS管Qin的栅极与充电控制模块正极连接。
上述的用于植入医疗装置的充放电路中，所述充电控制模块输出电压为滞回特性，其输出电压值
Figure BDA00033335837200000214
由模块输出电压状态及充放电单元当前电压决定，输出电压只有两个值，分别为高电压VH和零电压，充电控制开关的PMOS管Qin导通的阈值电压为
Figure BDA00033335837200000215
输入电压为Vd，通过合理设计VH，满足：
Figure BDA00033335837200000216
前述的用于植入医疗装置的充放电路中，所述PMOS管
Figure BDA00033335837200000217
的栅极和源极的导通阈值电压为
Figure BDA00033335837200000218
输出电压为Vo，其满足：
Figure BDA00033335837200000219
和
Figure BDA0003333583720000031
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过设置充电控制开关Qin、电感L、n个充放电单元、高频滤波电容Cf、放电控制开关和充电控制模块，充放电单元由电容Ci、PMOS管
Figure BDA0003333583720000032
和控制单元组成，PMOS管
Figure BDA0003333583720000033
的源极与控制单元以及电容Ci的一端连接，PMOS管
Figure BDA0003333583720000034
的栅极与控制单元连接，电容Ci的另一端接地，控制单元与充电控制模块连接；所述n个充放电单元并联，充电控制开关由PMOS管Qin组成，放电控制开关由MOS管
Figure BDA0003333583720000035
和
Figure BDA0003333583720000036
组成，本发明充电过程如下：当输出电压Vo小于αVd时(0＜α＜β＜1，α可人为设定)，充电控制模块输出
Figure BDA0003333583720000037
为零，
Figure BDA0003333583720000038
充电控制开关Qin导通，开始给电容C1充电。随着C1电压
Figure BDA0003333583720000039
的持续上升到控制单元的判断阈值时，
Figure BDA00033335837200000310
由高变为低，
Figure BDA00033335837200000311
从截止过渡到导通，开始给电容C2充电，同理，随着电容C2电压
Figure BDA00033335837200000312
的持续上升，控制单元输出信号
Figure BDA00033335837200000313
由高变为低，
Figure BDA00033335837200000314
从截止过渡到导通，开始给电容C3充电，以此类推，直到电压Vo充电到βVd，至此充电过程结束，该过程中，输入充电速度可调控，能在保证安全的情况下提高充电速度。
2、本发明放电过程如下：当放电控制信号
Figure BDA00033335837200000315
为高时，MOS管
Figure BDA00033335837200000316
和MOS管
Figure BDA00033335837200000317
导通，n个充放电单元开始输出电能，随着电能输出的持续，输出电压Vo快速降低，当输出电压Vo低于MOS管
Figure BDA00033335837200000318
的导通阈值时，输出关闭，放电结束，由于n个充放电单元是并联结构，通过改变充放电单元的数量，使得输出电流值可调节，能大大提高输出电流的范围。
3、本发明通过上述整体结构的设置，具有结构简单，成本低，实用性好的优点，且电路采用的结构为成熟结构，元件均为常用的电子元件，能有效控制成本及实现高可靠性。
附图说明
图1为本发明的充放电路图；
图2为本发明控制单元输入输出关系图；
图3为本发明上电阶段充电电压和电流波形图；
图4为本发明电容直接并联时上电阶段充电电压和电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种用于植入医疗装置的充放电路，如附图1所示，包括n个充放电单元、充电控制开关、电感L、高频滤波电容Cf、放电控制开关和充电控制模块，所述充放电单元由电容Ci、PMOS管
Figure BDA0003333583720000041
和控制单元组成，PMOS管
Figure BDA0003333583720000042
的源极与控制单元以及电容Ci的一端连接，PMOS管
Figure BDA0003333583720000043
的栅极与控制单元连接，电容Ci的另一端接地，控制单元与充电控制模块连接。所述充电控制开关由PMOS管Qin组成，用于控制电源电能输出给充放电单元。放电控制开关由MOS管
Figure BDA0003333583720000044
和
Figure BDA0003333583720000045
组成，信号
Figure BDA0003333583720000046
控制
Figure BDA0003333583720000047
的通断，进而控制充放电单元的电能输出给负载。其中，i为充放电单元的位序，且1≤i≤n，当i＝1时，在第一个充放电单元中，PMOS管
Figure BDA0003333583720000048
的源极、电容C1的一端和控制单元均与电感L的一端连接；当1≤i<n时，在第i个充放电单元中，PMOS管
Figure BDA0003333583720000051
的漏极与第i+1个充放电单元中的PMOS管
Figure BDA0003333583720000052
电容Ci+1的一端以及控制单元连接；当i＝n时，在第n个充放电单元中，PMOS管
Figure BDA0003333583720000053
的漏极与充电控制模块的负极、高频滤波电容Cf的一端以及放电控制开关中的MOS管
Figure BDA0003333583720000054
的源极连接。所述高频滤波电容Cf的另一端接地，高频滤波电容Cf用于滤除输出电压Vo的高频噪声。在放电控制开关中，MOS管
Figure BDA0003333583720000055
的栅极与MOS管
Figure BDA0003333583720000056
的漏极连接，MOS管
Figure BDA0003333583720000057
的源极接地，MOS管
Figure BDA0003333583720000058
的漏极与电流输出端连接。所述电感L的另一端与充电控制开关的PMOS管Qin的漏极连接，PMOS管Qin的源极与电流输入端连接，PMOS管Qin的栅极与充电控制模块正极连接。
所述充电控制模块输出电压为滞回特性，为了防止PMOS管Qin频繁通断导致损耗增加和元件寿命降低。其输出电压值
Figure BDA0003333583720000059
由模块输出电压状态及充放电单元当前电压决定，输出电压只有两个值，分别为高电压VH和零电压，充电控制开关的PMOS管Qin导通的阈值电压为
Figure BDA00033335837200000510
输入电压为Vd，通过合理设计VH，满足：
Figure BDA00033335837200000511
Figure BDA00033335837200000512
所述PMOS管
Figure BDA00033335837200000513
的栅极和源极的导通阈值电压为
Figure BDA00033335837200000514
输出电压为Vo，其满足：
Figure BDA00033335837200000515
和
Figure BDA00033335837200000516
图2所示为控制单元输入输出关系图。图中，
Figure BDA00033335837200000517
为
Figure BDA00033335837200000518
的栅极和源极的导通阈值电压，其满足：
Figure BDA00033335837200000519
和
Figure BDA00033335837200000520
其工作原理为：当Ci的电压
Figure BDA00033335837200000521
充电升高到
Figure BDA00033335837200000522
时，控制单元输出
Figure BDA00033335837200000523
从
Figure BDA00033335837200000524
降为零。
Figure BDA00033335837200000525
的G,S电压满足导通阈值要求，
Figure BDA00033335837200000526
导通。一旦
Figure BDA00033335837200000527
导通，电容Ci+1开始充电，将
Figure BDA00033335837200000528
电压拉低。由电工学知识可知，
Figure BDA00033335837200000529
的电压不会低于
Figure BDA0003333583720000061
而由输入输出关系可知，
Figure BDA0003333583720000062
的G,S电压满足导通阈值要求，
Figure BDA0003333583720000063
保持导通，电容Ci+1持续充电，电压
Figure BDA0003333583720000064
升高到
Figure BDA0003333583720000065
Figure BDA0003333583720000066
导通。以此类推，直至输出电压Vo达到要求，结束充电过程。在实际生产制造工艺中，为有效降低成本，提高可靠性和一致性，
Figure BDA0003333583720000067
均为相同的参数，进而
Figure BDA0003333583720000068
相同，假定
Figure BDA0003333583720000069
图3所示为上电充电时，各电容电压
Figure BDA00033335837200000610
和充电电流Iin波形图。定义刚上电时为0时刻，下面分时段进行详细分析：
⑴0≤t＜t3时段：在0＜t≤t1阶段，由于输出电压Vo为零，所以充电控制模块输出
Figure BDA00033335837200000611
为零，
Figure BDA00033335837200000612
Qin导通，Vd开始给C1充电。由于存在电感L，在Qin导通接入C1充电瞬间，L起作用抑制了Vd的瞬间跌落。因C1没有储能和L很小，所以Iin增长很快导致C1上的电压
Figure BDA00033335837200000613
快速升高。考虑到L很小，当t＝t1，Iin升高到I1时，L1饱和，只充当导线作用。在t1＜t≤t2阶段，Iin瞬间大幅增大，并达到最大值I2，致使
Figure BDA00033335837200000614
急剧增加，只要合理设计就能保证在L为导线情况下
Figure BDA00033335837200000615
所以，即便Qin的导通压降为零，也能保证
Figure BDA00033335837200000616
Qin保持导通。在t2＜t≤t3阶段，电路等价为一阶RC充电电路，电压变化曲线和电流变化曲线满足一阶RC充电电路的特征。随着充电过程的持续，C1电压
Figure BDA00033335837200000617
持续上升，Iin持续减小。在t3时刻，
Figure BDA00033335837200000618
达到
Figure BDA00033335837200000619
Figure BDA00033335837200000620
导通，电容C2接入充电；
⑵t3≤t＜t5时段：在t3≤t＜t4阶段，C2接入充电，电容C1上存储的电能快速转移到C2中，并达到平衡。由电工学知识可知，平衡之后电压为原来的一半，即
Figure BDA00033335837200000621
但实际上平衡之后电压略高于
Figure BDA0003333583720000071
这是因为在t3≤t＜t4，Vd一直在充电，但并不影响原理的分析，后面的分析均按平衡点电压分析。由于
Figure BDA0003333583720000072
从
Figure BDA0003333583720000073
迅速减小到
Figure BDA0003333583720000074
导致电流Iin在这段时间升高。平衡时
Figure BDA0003333583720000075
由图2所示控制单元特性可知，
Figure BDA0003333583720000076
的G,S电压仍然满足导通阈值要求，所以
Figure BDA0003333583720000077
保持导通。在t4≤t＜t5阶段，电路等价为一阶RC充电电路，电路的电容为C1+C2，电压变化曲线和电流变化曲线满足一阶RC充电电路的特征。该阶段，由于充电电容值的增大，充电电流Iin变得更加平坦，这也符合一阶RC充电电路增大电容情况下的特性。随着充电过程的持续，
Figure BDA0003333583720000078
持续上升，Iin持续减小。在t5时刻，
Figure BDA0003333583720000079
达到
Figure BDA00033335837200000710
Figure BDA00033335837200000711
导通，电容C3接入充电；
⑶t5≤t＜t7时段：在t5≤t＜t6阶段，C3接入充电，电容C1、C2上存储的电能快速转移到C3中，平衡后电压为
Figure BDA00033335837200000712
由于
Figure BDA00033335837200000713
从
Figure BDA00033335837200000714
迅速减小到
Figure BDA00033335837200000715
导致电流Iin在这段时间升高。平衡时
Figure BDA00033335837200000716
由图2所示控制单元特性可知，
Figure BDA00033335837200000717
的G,S电压仍然满足导通阈值要求，所以
Figure BDA00033335837200000718
保持导通。在t6≤t＜t7阶段，电路等价为一阶RC充电电路，电路的电容为C1+C2+C3，电压变化曲线和电流变化曲线满足一阶RC充电电路的特征。该阶段，由于充电电容值的增大，充电电流Iin变得更加平坦，这也符合一阶RC充电电路增大电容情况下的特性。随着充电过程的持续，
Figure BDA00033335837200000719
持续上升，Iin持续减小。在t7时刻，
Figure BDA00033335837200000720
达到
Figure BDA00033335837200000721
Figure BDA00033335837200000722
导通，电容C4接入充电。需要注意的是，由于Iin的持续降低，Iin的值一定会小于L的饱和电流I1，L再次充电电感的作用，但其并不会改变整个充电电路电压和电流的形态。Iin小于L情况具体在什么时间要由系统参数确定；
⑷
Figure BDA0003333583720000081
时段：在tn-1≤t＜tn阶段，Cn接入充电，电容C1、C2、…、Cn-1上存储的电能快速转移到Cn中，平衡后电压为
Figure BDA0003333583720000082
由于
Figure BDA0003333583720000083
从
Figure BDA0003333583720000084
迅速减小到
Figure BDA0003333583720000085
导致电流Iin在这段时间升高。平衡时
Figure BDA0003333583720000086
由图2所示控制单元特性可知，
Figure BDA0003333583720000087
Figure BDA0003333583720000088
的G,S电压仍然满足导通阈值要求，所以
Figure BDA0003333583720000089
Figure BDA00033335837200000810
保持导通。在tn≤t＜t2thr阶段，电路等价为一阶RC充电电路，电路的电容为
Figure BDA00033335837200000811
电压变化曲线和电流变化曲线满足一阶RC充电电路的特征。该阶段，由于充电电容值的增大，充电电流Iin变得更加平坦，这也符合一阶RC充电电路增大电容情况下的特性。随着充电过程的持续，
Figure BDA00033335837200000812
持续上升，Iin持续减小。在t2thr时刻，
Figure BDA00033335837200000813
Figure BDA00033335837200000814
达到
Figure BDA00033335837200000815
高频滤波电容Cf接入充电电路。此时，充电电路的总电容为C1,…,Cn,Cf的并联。随着充电时间的持续，电压Vo持续上升，直至t＝tβ时刻，充电控制模块输出信号
Figure BDA00033335837200000816
为高，
Figure BDA00033335837200000817
Qin截止，充电结束。
图4所示为电容直接并联时上电阶段充电电压和电流波形图。从理论和图形上可知，由于没有电感的限流以及电容过大，导致上电瞬间电流Iin很大并且长期处于安全电流区间之上，触发整个系统的过流保护而停止工作，这是十分危险的情况。对比图3和图4可知，采用本发明提出的方案，能有效抑制输入电流处于过流状态，提高系统的稳定性和安全性。
实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于植入医疗装置的充放电路，包括n个充放电单元、充电控制开关、电感L、高频滤波电容Cf、放电控制开关和充电控制模块，其特征在于：所述充放电单元由电容Ci、PMOS管
Figure FDA0003333583710000011
和控制单元组成，PMOS管
Figure FDA0003333583710000012
的源极与控制单元以及电容Ci的一端连接，PMOS管
Figure FDA0003333583710000013
的栅极与控制单元连接，电容Ci的另一端接地，控制单元与充电控制模块连接；所述充电控制开关由PMOS管Qin组成，放电控制开关由MOS管
Figure FDA0003333583710000014
和
Figure FDA0003333583710000015
组成；其中，i为充放电单元的位序，且1≤i≤n，当i＝1时，在第一个充放电单元中，PMOS管
Figure FDA0003333583710000016
的源极、电容C1的一端和控制单元均与电感L的一端连接；当1≤i<n时，在第i个充放电单元中，PMOS管
Figure FDA0003333583710000017
的漏极与第i+1个充放电单元中的PMOS管
Figure FDA0003333583710000018
电容Ci+1的一端以及控制单元连接；当i＝n时，在第n个充放电单元中，PMOS管
Figure FDA0003333583710000019
的漏极与充电控制模块的负极、高频滤波电容Cf的一端以及放电控制开关中的MOS管
Figure FDA00033335837100000110
的源极连接；所述高频滤波电容Cf的另一端接地，在放电控制开关中，MOS管
Figure FDA00033335837100000111
的栅极与MOS管
Figure FDA00033335837100000112
的漏极连接，MOS管
Figure FDA00033335837100000113
的源极接地，MOS管
Figure FDA00033335837100000114
的漏极与电流输出端连接；所述电感L的另一端与充电控制开关的PMOS管Qin的漏极连接，PMOS管Qin的源极与电流输入端连接，PMOS管Qin的栅极与充电控制模块正极连接。
2.根据权利要求1所述的用于植入医疗装置的充放电路，其特征在于：所述充电控制模块输出电压为滞回特性，其输出电压值
Figure FDA00033335837100000115
由模块输出电压状态及充放电单元当前电压决定，输出电压只有两个值，分别为高电压VH和零电压，充电控制开关的PMOS管Qin导通的阈值电压为
Figure FDA0003333583710000021
输入电压为Vd，通过合理设计VH，满足：
Figure FDA0003333583710000022
3.根据权利要求1所述的用于植入医疗装置的充放电路，其特征在于：所述PMOS管
Figure FDA0003333583710000023
的栅极和源极的导通阈值电压为
Figure FDA0003333583710000024
输出电压为Vo，其满足：
Figure FDA0003333583710000025
和
Figure FDA0003333583710000026
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