CN116865589A - 一种基于电感升压式电路的便携式电转设备及电转方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于电感升压式电路的便携式电转设备及电转方法，包括包括：电感升压式调节电路，输入端连接蓄电池输出端，通过电感进行储能并通过场效应管由反馈电路接收控制器信号进行调节后输出；滤波电路，接入电感升压式调节电路的输出端；极性切换电路，接入滤波电路输出端，且输出至电转输出端；脉冲控制电路，与极性切换电路并列，连接至电转输出端；和控制器，由采样电路采集输出脉冲信号返回给控制器，控制器接收用户操作指令，输出调节信号至反馈电路；并且还向极性切换电路和脉冲控制电路发送控制信号。本发明提高了便携性，能够保证输出电压的有效调节，保证输出电压的稳定性，提高电转效率。
Description
技术领域
本发明属于电转设备技术领域，特别是涉及一种基于电感升压式电路的便携式电转设备及电转方法。
背景技术
转染是将非病毒基因递送到受体细胞中的方法，其主要目的是改变宿主基因组以表达或阻断与基因相关的蛋白质的表达。利用此技术，可以将短暂地或者永久地改造目标细胞的蛋白表达功能，赋予其前所未有的新功能。
电转染(电转)，也叫细胞电穿孔，是利用强大的瞬间电场或瞬间电流，短时提高细胞膜的通透性，从而以类似电泳的方式把外源大分子物质DNA、RNA、siRNA、蛋白质等以及一些小分子导入细胞膜内部进行表达的重要方法。利用电转染可以完成对几乎所有真核细胞的转染，适用于瞬时或稳定表达蛋白质的研究。
电转仪通常为台式设备，通过交流电供电，输出端分为正负两极，分别为一个4mm直径的香蕉接头插孔。在实际应用中，正负电极分别连接并延伸到含有细胞的悬液中或取下的动物组织器官表面。当输出端产生的电脉冲信号传递到电极时，由于强电场或强电流，电极周围细胞的细胞膜将会在短时间内具有强的通透性，从而允许游离在细胞膜周围液体环境中的质粒、RNA、蛋白质、药物等外源大分子进入细胞内部。
现有技术的台式电转仪采用Cockcroft-Walton高压倍压器，连接交流市电作为电源，占用空间尺寸大，需要很高电压——高达几百至数千伏特——才能完成高效率的电转染。另外，由于Cockcroft-Walton高压倍压器中的电容是串联放电，导致输出高阶倍压的带载能力差，输出很小的功率就可能会导致输出电压的大幅度跌落；并且每次放电后，需要充电的电容数量随着倍压级数增加而增加，导致输出电量不能及时得到补充。因此，在对阻抗较小的细胞进行电转染时，或者所使用的电极间距离非常小时，或者在要求电脉冲间隔时间小的时候，实际输出电压达不到所设置的电压，导致电转效率低。并且无法直接作用在活体上，无法进行穿戴和植入进行原位电转。现有技术的台式电转仪设备较为笨重，操作专业度要求高，因此在进行动物实验或临床实验时需要限制受试者的活动，并且由专业实验人员操作，增加实验开展难度与普及度。特别是，由于电转RNA，siRNA等较为脆弱的小分子，或使用细胞为较为脆弱的细胞时，如神经细胞，干细胞时，需要提供超净环境，使用超净台；而目前市售的台式电转仪体积过大，无法安装在一般实验室配备的超净台中。
目前已有研究证明原位电转染是一种较好的基因治疗方式,通过电辅助直接将DNA，质粒DNA输送至体内组织，以达到基因治疗的目的。已经有大量的基因递送实验证明了以电脉冲作为核酸递送系统的可行性。由于传统的电转仪仅适用于体外电转细胞与组织，体积过大，需要连接插头，且无法同时进行多个脉冲输出，因此在用来进行体内电转染时，需要研究者自制电极以适应不同的电脉冲需求与检测需求。并且传统的电转仪在输出电压较小的情况下非常不稳定，在进行原位转染是存在风险。因此目前并没有适合原位电转的仪器，研究人员也一直苦于无法直接进行快速且有效的原位电转。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于电感升压式电路的便携式电转设备及电转方法，提高了便携性，能够保证输出电压的有效调节，保证输出电压的稳定性，提高电转效率，可以直接进行穿戴和植入等原位电转。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于电感升压式电路的便携式电转设备，包括设置在壳体内的蓄电池和电转调节器，所述电转调节器的输出端连接有电转电极；
所述电转调节器包括：
电感升压式调节电路，输入端连接蓄电池输出端，通过电感进行储能并通过场效应管由反馈电路接收控制器信号进行调节后输出；
滤波电路，接入电感升压式调节电路的输出端；
极性切换电路，接入滤波电路输出端，且输出至电转输出端；
脉冲控制电路，与极性切换电路并列，连接至电转输出端；
和控制器，由采样电路采集输出脉冲信号返回给控制器，控制器接收用户操作指令，输出调节信号至反馈电路；并且还向极性切换电路和脉冲控制电路发送控制信号。
进一步的是，所述电感升压式调节电路包括输入电容、电感、场效应管、二极管和输出电容，电感升压式调节电路的输入端设置有输入电容，所述电感、场效应管和二极管形成Y形连接，电感连接电感升压式调节电路的输入端，二极管连接至所述电感升压式调节电路的输出端，在所述电感升压式调节电路的输出端设置输出电容。
进一步的是，所述反馈电路通过PWM信号发生电路调控场效应管。
进一步的是，在所述PWM信号发生电路后设置有驱动放大器，由PWM信号发生电路和驱动放大器协同产生PWM波是一个周期性的波，以控制场效应管周期性地导通与断开。
进一步的是，所述控制器通过驱动放大器发送控制信号至极性切换电路和脉冲控制电路。
进一步的是，在所述控制器上设置有人机交互界面设备，用于获取用户操作指令，以及向用户展示。
另一方面，基于本发明所提出的一种基于电感升压式电路的便携式电转设备的电转方法，包括步骤：
控制器通过反馈电路控制电感升压式调节电路将蓄电池输出电能调节至电转所需电压等级脉冲；
将电感升压式调节电路调节后的输出脉冲通过滤波电路进行滤波；
滤波后的输出脉冲通过极性切换电路切换输出电压的正负极，从而调节输出脉冲极性；
通过脉冲控制电路来调节脉冲参数；
最终输出脉冲是由多个直流脉冲组成的脉冲序列，施加到细胞、组织、或器官表面，用于完成电转染；
同时，采样电路实时采集输出的电压脉冲信号，并反馈到人机交互界面，实时显示实际输出的波形；如果实际输出的电压波形不符合设定要求，控制器通过切换反馈电路和滤波电路，即时调节输出电压，以满足高效率电转染的需求。
进一步的是，控制器通过反馈电路控制电感升压式调节电路将蓄电池输出电能调节至电转所需电压等级，包括步骤：
导通电感升压式调节电路的场效应管，蓄电池对电感充电，并且通过电感的电流以设定的比率线性增加，随着电感电流增加，能量被储存到了电感中；
断开电感升压式调节电路的场效应管，流经电感的电流对输出电容进行充电；在此期间，电感放电，其电流逐渐下降，而输出电压逐渐升高，直至本周期结束，此时输出电压为Vout1；
再次导通升压式调节电路的场效应管，蓄电池再次对电感充电；而由于二极管的单向导通特性，输出电容积累的电荷不会流失，从而输出电压保持为Vout1；
再次断开升压式调节电路的场效应管，流经电感的电流再次对输出电容进行充电，输出电压在Vout1的基础上，继续升高至控制器设定的输出电压值。
进一步的是，所述反馈电路通过PWM信号发生电路调控场效应管；在所述PWM信号发生电路后设置有驱动放大器，由PWM信号发生电路和驱动放大器协同产生PWM波是一个周期性的波，以控制场效应管周期性地导通与断开，输出电压继续升高至控制器设定的输出电压值。
采用本技术方案的有益效果：
本发明通过将电感升压式调节电路调节后的输出脉冲通过滤波电路进行滤波；滤波后的输出脉冲通过极性切换电路切换输出电压的正负极，从而调节输出脉冲极性；通过脉冲控制电路来调节脉冲参数；最终输出脉冲是由多个直流脉冲组成的脉冲序列，施加到细胞、组织、或器官表面，用于完成电转染；同时，采样电路实时采集输出的电压脉冲信号，并反馈到人机交互界面，实时显示实际输出的波形；如果实际输出的电压波形不符合设定要求，控制器通过切换反馈电路和滤波电路，即时调节输出电压，以满足高效率电转染的需求；从而能够保证输出电压的有效调节，保证输出电压的稳定性，提高电转效率，可以直接进行穿戴和植入。
本发明通过电感升压式调节电路进行高速能量传递，因此可以在很短的周期内进行充电，从而产生超短时间分辨率的脉冲。本发明产生的脉冲宽度分辨率可以到100ns级别，因此在电转染过程中更好地保持细胞的活力。
本发明采用充电电池供电的方案来极大地减小电转仪的尺寸和重量，通过升压转换电路和电容储能、脉冲瞬时放电等技术来实现电转仪的小型化和便携化。本发明通过高压芯片设计，将电源管理、升压电路、脉冲瞬时放电电路集成到芯片上，利用蓄电池供电，实现便携的手提或植入式电转设备。这将会大大拓展电转基因治疗技术和电转药物递送技术在临床中的应用，弥补现有基因治疗技术的不足，大大提高基因治疗的可及度、增加基因治疗的适应症。
本发明采用电感器件的尺寸更小，因此，可以实现更加小型化的高压脉冲输出方案，适用于输出电压脉冲幅度在100V以内，但对集成化要求更高的环境。
附图说明
图1为本发明的一种基于电感升压式电路的便携式电转设备的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种基于电感升压式电路的便携式电转设备的电转方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中电感升压式调节电路的调节示意图；
图4为本发明实施例中转染效率的实验示意图。
其中，11是输入电容，12是电感，13是场效应管，14是二极管，15是输出电容。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种基于电感升压式电路的便携式电转设备，包括设置在壳体内的蓄电池和电转调节器，所述电转调节器的输出端连接有电转电极；
所述电转调节器包括：
电感升压式调节电路，输入端连接蓄电池输出端，通过电感12进行储能并通过场效应管13由反馈电路接收控制器信号进行调节后输出；
滤波电路，接入电感升压式调节电路的输出端；
极性切换电路，接入滤波电路输出端，且输出至电转输出端；
脉冲控制电路，与极性切换电路并列，连接至电转输出端；
和控制器，由采样电路采集输出脉冲信号返回给控制器，控制器接收用户操作指令，输出调节信号至反馈电路；并且还向极性切换电路和脉冲控制电路发送控制信号。
基于相同的发明构思，如图2所示，本发明还提供了一种基于上述基于电感升压式电路的便携式电转设备的电转方法，包括步骤：
控制器通过反馈电路控制电感升压式调节电路将蓄电池输出电能调节至电转所需电压等级脉冲；
将电感升压式调节电路调节后的输出脉冲通过滤波电路进行滤波；
滤波后的输出脉冲通过极性切换电路切换输出电压的正负极，从而调节输出脉冲极性；
通过脉冲控制电路来调节脉冲参数，包括脉冲的个数、间隔时间、高电平占空比等；
最终输出脉冲是由多个直流脉冲组成的脉冲序列，施加到细胞、组织、或器官表面，用于完成电转染；
同时，采样电路实时采集输出的电压脉冲信号，并反馈到人机交互界面，实时显示实际输出的波形；如果实际输出的电压波形不符合设定要求，控制器通过切换反馈电路和滤波电路，即时调节输出电压，以满足高效率电转染的需求。
作为上述实施例的优化方案，所述电感升压式调节电路包括输入电容11、电感12、场效应管13、二极管14和输出电容15，电感升压式调节电路的输入端设置有输入电容11，所述电感12、场效应管13和二极管14形成Y形连接，电感12连接电感升压式调节电路的输入端，二极管14连接至所述电感升压式调节电路的输出端，在所述电感升压式调节电路的输出端设置输出电容15。
控制器通过反馈电路控制电感升压式调节电路将蓄电池输出电能调节至电转所需电压等级，包括步骤：
导通电感升压式调节电路的场效应管13，蓄电池对电感12充电，并且通过电感12的电流以设定的比率线性增加，随着电感12电流增加，能量被储存到了电感12中；
断开电感升压式调节电路的场效应管13，流经电感12的电流对输出电容15进行充电；在此期间，电感12放电，其电流逐渐下降，而输出电压逐渐升高，直至本周期结束，此时输出电压为Vout1；
再次导通升压式调节电路的场效应管13，蓄电池再次对电感12充电；而由于二极管14的单向导通特性，输出电容15积累的电荷不会流失，从而输出电压保持为Vout1；
再次断开升压式调节电路的场效应管13，流经电感12的电流再次对输出电容15进行充电，输出电压在Vout1的基础上，继续升高至控制器设定的输出电压值。
按照上述原理，如此往复，理论上，输出电压会不断升高，直至击穿输出电容15。而实际中，由于二极管14的反向隔离电阻不是无限大，并且电路最终的输出电压VOUT会输出到有限的负载阻抗上(其中包括滤波和极性切换电路的有限阻抗，以及其他外部负载的有限阻抗)，电容会经由二极管14和负载阻抗放电，因此输出电压也不可能无限升高。而如果要精确控制输出电压，则需要引入反馈电路。本发明中，反馈电路可以被控制器的输出口控制；又因为控制器可以由人机交互界面，通过程序控制；从而，操作人员可以很方便的通过人机交互界面对电转设备的输出电压进行控制。
输出电容15不断的充放电过程导致输出电压会有持续的波动，因此本发明还引入了滤波模块，以使输出电压得以更加稳定的控制。极性切换电路可以切换输出电压的正负极，从而使电转设备的输出脉冲极性可以根据操作人员的设置得到控制。另外，脉冲的个数、间隔时间、高电平占空比等参数可以通过脉冲控制电路来调节。驱动放大器用于放大控制器产生的信号，从而驱动极性切换电路和脉冲控制电路。
最终输出的电压VOUT是由多个高度个性化、参数可调节的直流脉冲组成的脉冲序列，可以施加到细胞、组织、或器官表面，用于完成电转染。采样电路实时采集输出的电压脉冲信号，并由模数转换器(可以是控制器内部集成的，也可以是独立器件)转换为数字信号，并反馈到人机交互界面，实时显示实际输出的波形。如果实际输出的电压波形不符合设定要求，控制器通过切换反馈电路和滤波电路，即时调节输出电压，以满足高效率电转染的需求。
优选的，所述反馈电路通过PWM信号发生电路调控场效应管13；在所述PWM信号发生电路后设置有驱动放大器，由PWM信号发生电路和驱动放大器协同产生PWM波是一个周期性的波，以控制场效应管13周期性地导通与断开，输出电压继续升高至控制器设定的输出电压值。
作为上述实施例的优化方案，所述控制器通过驱动放大器发送控制信号至极性切换电路和脉冲控制电路。
作为上述实施例的优化方案，在所述控制器上设置有人机交互界面设备，用于获取用户操作指令，以及向用户展示。
由于电感升压式调节电路的实时性，还可以通过控制器实时调节输出电压，从而调节输出的脉冲波形，可以为任意波形，如方波、正弦波、三角波、指数衰减波、动态衰减波等，以及多种不同波形和幅度的组合波形。根据不同细胞的膜电位，采用对称或不对称的穿孔脉冲，可以有效地提升细胞膜的通透性。如图3(a)-(e)所示，图3(a)-(e)的横坐标为时间，纵坐标为幅度。本发明所实现的功能是：产生不同幅度、变化规律的波脉冲序列，用于细胞电穿孔转染的应用。本发明所涉及的电转设备通常输出两组脉冲：即穿孔脉冲和电转脉冲。其中幅度高但持续时间短的脉冲序列，称为穿孔脉冲，可以在细胞膜表面瞬时产生强电场，从而增强细胞膜的通透性；而幅度低但持续时间较长的脉冲序列，称为电转脉冲，利用介电泳力，将游离于细胞膜周围液体环境中的质粒、RNA、蛋白质、药物等外源大分子送入细胞内部。穿孔脉冲的持续时间不宜过长，否则会对细胞膜产生不可逆的损伤；不同细胞的膜电位不同，因此不同细胞所适用的最佳穿孔脉冲和电转脉冲的幅度、时间、以及对称性都不同。
与Cockcroft-Walton高压倍压器不同，本发明不通过串联倍压电路进行升压，而是通过电感升压式调节电路进行高速能量传递，因此可以在很短的周期内进行充电，从而产生超短时间分辨率的脉冲。
在利用Cockcroft-Walton高压倍压器的传统电转设备中，脉冲宽度的分辨率通常在10us以上，高电压容易对细胞膜造成不可逆的损伤。由于电感升压式调节电路的实时性，本发明产生的脉冲宽度分辨率可以到100ns级别，因此在电转染过程中更好地保持细胞的活力。
采用电感12器件的尺寸更小，因此，可以实现更加小型化的高压脉冲输出方案，适用于输出电压脉冲幅度在100V以内，但对集成化要求更高的环境。
本发明通过高度集成化极大的缩小了电转仪的体积，且使用电池供电，极大的提升了灵活程度，非常适合进行原位电转的实验。在研究原位电穿孔在不同组织中的电转效果时，不同组织所需要的电压脉冲不同，电压不同，且进行原位电转染时，为了不对组织造成过大损伤，所用电压大多为低压长脉冲。本发明在保证低压输出的情况下精确控制输出电压，输出脉冲，并可根据不同的组织灵活调整，以满足不同的实验需求。
通过具体实验证明本发明提出装置的效果，在将含有SiRNA递送进入SD大鼠上皮细胞实验中，所使用的大鼠上皮细胞较为脆弱，对电压敏感度高，对高电压耐受能力差。而SiRNA递送需要近100V左右的稳定脉冲来达到电穿孔的效果。普通的方波脉冲和指数脉冲会在较短的周期内反复产生瞬时高电压，对于细胞伤害极大，极易导致不可逆的电穿孔。而经过本发明装置所产生的脉冲可以逐步提升和降低细胞表面的电流强度，有效的兼顾细胞的存活率与电穿孔效果。如图4，在siRNA的递送实验中，使用Cy5红色染料以确认转染效率。在使用市售的Cockcroft-Walton电转仪进行递送时，使用150V的方波脉冲进行实验会极大的降低细胞的存活率，严重影响转染效率，如图4中左侧部分；而使用本发明时可以保持较好的转染效果，如图4中右侧部分。使用传感软件统计500um*500um随机视野内转染成功细胞数(每孔随机选取5个视野取均值)，本发明所使用电转仪转染成功细胞个数(均值＝90)显著高于Cockcroft-Walton电转仪(均值＝14)。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种基于电感升压式电路的便携式电转设备，其特征在于，包括设置在壳体内的蓄电池和电转调节器，所述电转调节器的输出端连接有电转电极；
所述电转调节器包括：
电感升压式调节电路，输入端连接蓄电池输出端，通过电感进行储能并通过场效应管由反馈电路接收控制器信号进行调节后输出；
滤波电路，接入电感升压式调节电路的输出端；
极性切换电路，接入滤波电路输出端，且输出至电转输出端；
脉冲控制电路，与极性切换电路并列，连接至电转输出端；
和控制器，由采样电路采集输出脉冲信号返回给控制器，控制器接收用户操作指令，输出调节信号至反馈电路；并且还向极性切换电路和脉冲控制电路发送控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于电感升压式电路的便携式电转设备，其特征在于，所述电感升压式调节电路包括输入电容、电感、场效应管、二极管和输出电容，电感升压式调节电路的输入端设置有输入电容，所述电感、场效应管和二极管形成Y形连接，电感连接电感升压式调节电路的输入端，二极管连接至所述电感升压式调节电路的输出端，在所述电感升压式调节电路的输出端设置输出电容。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于电感升压式电路的便携式电转设备，其特征在于，所述反馈电路通过PWM信号发生电路调控场效应管。
4.根据权利要求3所述的一种基于电感升压式电路的便携式电转设备，其特征在于，在所述PWM信号发生电路后设置有驱动放大器，由PWM信号发生电路和驱动放大器协同产生PWM波是一个周期性的波，以控制场效应管周期性地导通与断开。
5.根据权利要求1所述的一种基于电感升压式电路的便携式电转设备，其特征在于，所述控制器通过驱动放大器发送控制信号至极性切换电路和脉冲控制电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于电感升压式电路的便携式电转设备，其特征在于，在所述控制器上设置有人机交互界面设备，用于获取用户操作指令，以及向用户展示。
7.一种基于电感升压式电路的便携式电转设备的电转方法，其特征在于，基于电感升压式电路的便携式电转设备包括：电感升压式调节电路，输入端连接蓄电池输出端，通过电感进行储能并通过场效应管由反馈电路接收控制器信号进行调节后输出；滤波电路，接入电感升压式调节电路的输出端；极性切换电路，接入滤波电路输出端，且输出至电转输出端；脉冲控制电路，与极性切换电路并列，连接至电转输出端；和控制器，由采样电路采集输出脉冲信号返回给控制器，控制器接收用户操作指令，输出调节信号至反馈电路；并且还向极性切换电路和脉冲控制电路发送控制信号；
基于上述基于电感升压式电路的便携式电转设备的电转方法，包括步骤：
控制器通过反馈电路控制电感升压式调节电路将蓄电池输出电能调节至电转所需电压等级脉冲；
将电感升压式调节电路调节后的输出脉冲通过滤波电路进行滤波；
滤波后的输出脉冲通过极性切换电路切换输出电压的正负极，从而调节输出脉冲极性；
通过脉冲控制电路来调节脉冲参数；
最终输出脉冲是由多个直流脉冲组成的脉冲序列，施加到细胞、组织、或器官表面，用于完成电转染；
同时，采样电路实时采集输出的电压脉冲信号，并反馈到人机交互界面，实时显示实际输出的波形；如果实际输出的电压波形不符合设定要求，控制器通过切换反馈电路和滤波电路，即时调节输出电压，以满足高效率电转染的需求。
8.根据权利要求7所述的一种基于电感升压式电路的便携式电转设备的电转方法，其特征在于，所述电感升压式调节电路包括输入电容、电感、场效应管、二极管和输出电容，电感升压式调节电路的输入端设置有输入电容，所述电感、场效应管和二极管形成Y形连接，电感连接电感升压式调节电路的输入端，二极管连接至所述电感升压式调节电路的输出端，在所述电感升压式调节电路的输出端设置输出电容；
控制器通过反馈电路控制电感升压式调节电路将蓄电池输出电能调节至电转所需电压等级，包括步骤：
导通电感升压式调节电路的场效应管，蓄电池对电感充电，并且通过电感的电流以设定的比率线性增加，随着电感电流增加，能量被储存到了电感中；
断开电感升压式调节电路的场效应管，流经电感的电流对输出电容进行充电；在此期间，电感放电，其电流逐渐下降，而输出电压逐渐升高，直至本周期结束，此时输出电压为Vout1；
再次导通升压式调节电路的场效应管，蓄电池再次对电感充电；而由于二极管的单向导通特性，输出电容积累的电荷不会流失，从而输出电压保持为Vout1；
再次断开升压式调节电路的场效应管，流经电感的电流再次对输出电容进行充电，输出电压在Vout1的基础上，继续升高至控制器设定的输出电压值。
9.根据权利要求8所述的一种基于电感升压式电路的便携式电转设备的电转方法，其特征在于，所述反馈电路通过PWM信号发生电路调控场效应管；在所述PWM信号发生电路后设置有驱动放大器，由PWM信号发生电路和驱动放大器协同产生PWM波是一个周期性的波，以控制场效应管周期性地导通与断开，输出电压继续升高至控制器设定的输出电压值。
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| CN202310561617.XA CN116865589A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种基于电感升压式电路的便携式电转设备及电转方法 |
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