CN1291368A - 用于去纤颤器电容器充电的自动速率控制 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于电容器充电电路(100)的控制电路,其使用流过电路的电流的视在量度来调节从电池引出并流过电路的电流。加法电路(136)产生从阈值参考电压(151)减去电池电压(152)的差值电压(138)。接着,差值电压(138)由放大器(140)放大,由二极管(142)整流,并通过加法电路(128)加到电流传感电阻器(117)的电压量度(130)上。所得的电压量度(126)是电流的视在量度并被提供到充电控制器(122)上,其通过控制开关(108)的操作来调节流过变压器(107)的电流。当电池(102)上的电压降到低于电压源设置的参考电压时,增加的差值电压(138)将偏值加到电流的实际量度(130)上,从而提供具有流过变压器(107)的电流的视在量度的充电控制器(122),该电流的视在量度高于电流实际电平。从而充电控制器被欺骗并可减小从电池引出并通过变压器的电流。

Description

用于去纤颤器电容器充电的自动速率控制

本发明一般涉及电容器充电电路，特别地，涉及用于去纤颤器的充电速率控制电路。

人的正常心动图中的干扰使得个体处于严重的生命威胁状况中。尤其危险的是心室纤维颤动，其中心室中的活动性不协调从而实际上不能抽取血液。去纤颤治疗能中断心室纤维颤动并恢复正常的心动图。这样的治疗通常包括以高压将相当大量的电能传送到心脏。

典型的去纤颤器包括一对电引线，其用于收集由心脏产生的电信号并用于传送去纤颤治疗。另外，去纤颤器通常包括一个或多个电池、蓄能电容器、和用于使电容器充电并通过引线传送去纤颤治疗的控制电路。

目前，电池通常不适于直接提供去纤颤治疗所需的高能、高压电脉冲。从而，去纤颤器通常包括一个或多个高压蓄能电容器，其通过合适的充电电路由电池充电。一旦电容器被充电，由医生或内科医师有选择地使电容器放电以将去纤颤治疗提供给患者。在通常操作中，高压蓄能电容器并不保持在充电状态中，而是在去纤颤治疗的传送之前立即被充电。

去纤颤器中的充电电路通常包括由充电控制器控制的开关。在充电控制器的指令下，开关周期地中断从电池流出的并通过升压变压器初级绕组的电流以在冲击激励期间在变压器次级绕组中感应瞬时电流。将变压器次级绕组中感应的冲击激励电流提供到高压蓄能电容器的端子上，从而在许多开关周期期间使电容器充电。通常，充电控制器监测流过初级绕组的电流和在指示开关操作中电容器上的电荷量。

耦连到去纤颤器上的一个或多个电池给充电蓄能电容器供电。当电池耗尽其电能时，电池中的电阻增加。对于大多电池技术，相对于电池端子电压的降低电池的内阻逐渐升高直到当电池电压下降时其内阻迅速升高的一点上。不同的电池技术具有不同的内阻-电压曲线。

当去纤颤器开始为其蓄能电容器充电时，大量的电流从电池流出，导致通过电池内阻的电压极大地下降。在操作中的某一点上，去纤颤器电池的内阻太高，而且电池不能在充电电路所需的电压电平上提供峰值电流。甚至在电池没有全部耗尽其能量的情况下，电池电压急剧下降并降到低于去纤颤器中的开机复位阈值，使得去纤颤器关断。换句话说，电池电压降得太低，去纤颤器认为该电池完全耗尽能量，并关自身。当去纤颤器再接通时，其不能传送去纤颤治疗直到安装了新的电池。

为了阻止在电池被完全耗尽之前去纤颤器的提前关断，已有的解决方案是，当电池端子电压降低到低于预定电平时，减少去纤颤器充电电路从电池引出的峰值电流的量。在减少的电流下，电池电压保持在可接受的电平上，并且电池能使去纤颤器电容器继续充电，尽管其充电速率较低。用于控制从电池引出的电流量的现有技术包括通过模拟-数字(A／D)转换器连接到电池上以监测电池电压的微处理器。当微处理器确定电池电压降低到低于规定阈值时，微处理器命令电容器充电电路以较低电平从电池引出电流。该方式的固有问题在于微处理器不能足够迅速响应电池电压的极大下降，在命令充电电路以较低速率引出电流前，去纤颤器可能已关断。

存在与现有技术充电速率控制相关的问题，从而出现一种需求，希望电容器充电电路能以动态的方式迅速响应下降的电池电压。

本发明提供用于速率动态控制的控制电路和方法，以该速率从电池引出电流从而将电池电压保持在合适的电平上。控制电路和方法尤其适于使去纤颤器充电，该去纤颤器具有高压蓄能电容器和用于控制电容器充电的充电电路。一方面，充电电路调节从电池引出的电流量以响应流过升压变压器初级绕组的电流的电压测量。本发明包括有源电路部件的装置，其将电池上的电压和参考电压相比较并产生一个比较输出，该比较输出被连到充电电路上以调节蓄能电容器的充电速率。在本发明的实际实施例中，比较输出与流过升压变压器初级绕组的电流的电压测量相结合以产生提供到充电电路上的视在电流信号。充电电路调节从电池引出的电流量以响应该视在电流信号。特别地，当电池电压降到低于参考电压时，本发明的控制电路产生一个比较输出，当被加到电流的电压测量时，其产生一个视在电流信号，该电流信号大于流过初级绕组的电流的实际电平。充电电路通过减小从电池引出的电流量来响应，实际上，其减慢了蓄能电容器的充电速率。由于有源部件用于本发明的控制电路中，控制电路能无延迟地响应电池的端电压的变化。通过动态地调节从电池引出的峰值电流以响应电池的端子电压，增加了电池的视在容量(即，从电池被完全充电的时间到当去纤颤器关断以响应电池电压不足时的时间)。

本发明的又一个实施例包括一个微处理器，其具有一个到控制电路的输出端。微处理器的输出加到参考电压上，从而调节上述比较输出，并调节在电容器充电期间充电电路调节从电池引出的电流量的程度。相应地，微处理器设有对控制电路的充电速率控制功能的控制度。

结合附图，通过参考下面的详细描述，本发明的上述方面和许多伴随的优点将更易于理解，其中：

图1是根据本发明的电容器充电电路的示意性框图。

图1表示一个根据本发明构造的电容器充电电路100。电容器充电电路100用从电池102获得的电能来使电容器116充电。电池102的负端子连接到电路的接地端104上，而电池102的正端子连接到升压变压器107初级绕组106的一端上。初级绕组106的另一端连接到开关108上。当闭合开关108时，从电池102引出的电流流过初级绕组106和电流传感变压器110，所述变压器110串联连接到开关108和电路的接地端104之间。当断开开关108时，流过初级绕组106和电流传感变压器110的电流被断开。

由充电控制器122提供到线路124上的信号来控制开关108的操作。当充电控制器122指示开关108闭合时，电流流过初级绕组106，从而在初级绕组中存储能量。当充电控制器122指示开关108断开时，流过初级绕组106的电流被断开，导致在升压变压器107的次级绕组112上感应瞬时的冲击激励电流。次级绕组中的瞬时冲击激励电流通过一个二极管114整流并提供到高压蓄能电容器116的端子上。通过周期地断开和闭合开关108，在次级绕组112中感应的电流使高压蓄能电容器116充电。

脉冲宽度调制的形式可用于控制断开和闭合开关108的周期。鉴于设计考虑，适于使用“纯”脉冲宽度调制技术或频率调制。在本发明的一个实际实施例中，使用的是纯脉冲宽度调制和脉冲频率调制的混合。

为了监测电容器116上的电荷，充电控制器122通过线路121接收来自减压电路123上的信号，电路123连接到电容器116上。减压电路123通过线路121提供与电容器116上的电压电荷成比率减小的电压信号，从而使得充电控制器122能确定电容器116的充电程度。或者，来自减压电路123的反馈经过合适的模拟-数字信号转换后直接到微处理器154上。微处理器154能通过线路156发布命令到充电控制器122上以控制充电控制器的操作。连接到电容器116上的去纤颤治疗控制电路(未示)通过一对线路118和120有选择地使电容器116放电并将去纤颤治疗传送给患者。

本领域的普通技术人员可以理解：通过使用多种固态装置来实现上述开关108。由于大量电流流过开关108，所以最好用晶体管来作为开关108进行工作。在这种情况下，“闭合”开关是指允许电流流过晶体管的状态，而“断开”开关是指其中不允许电流流过晶体管的状态。在许多应用中，场效应晶体管适合用作开关108，其中晶体管的漏极端子和源极端子相应地连接在初级绕组106和电流传感变压器110之间，控制极端子连接到线路124上。根据提供到线路124上的信号，开关108可以允许或中断通过初级绕组106的电流。充电控制器122控制流过初级绕组106的电流量，并从而通过控制断开和闭合开关108的周期来控制电容器116的充电速率。

一方面，充电控制器122调节从电池102引出的电流量以响应流过初级绕组106的电流的电压测量。在描述的实施例中，通过电流传感变压器110与电流传感电阻117的结合在线路130上提供实际流过初级绕组106的电流电平的电压测量。根据本发明，通过将线路130上的实际电流的电压测量与线路132上由控制电路134产生的电压结合来在线路126上产生一个视在电流信号。具体地说，充电控制器122通过线路126接收一个电压信号，其是线路130和132上出现的信号通过加法电路128结合的组合信号。充电控制器122使用通过线路126接收的电压信号来确定开关108的操作周期。

线路130上出现的电压是流过初级绕组106和开关108的电流的电压测量。如上所述，图1中示出的实施例使用电流传感变压器110，其具有串联连接到开关108和电路的接地端104之间的初级绕组111。在电容器充电操作期间，流过初级绕组111的电流存储的能量用于在次级绕组113中感应电流。在次级绕组113中的电流通过二极管115整流并通过电流传感电阻器117流到电路接地端104上。通过电流传感电阻器117的电压降在线路130上出现。线路130上的电压随流过电流传感电阻器117的电流量的改变而变化，又随初级绕组111中的电流的改变而变化。由于初级绕组111与开关108和初级绕组106串联连接，线路130上的电压最终是流过初级绕组106的电流的量度。

尽管所述的实施例使用由电流传感变压器110与电流传感电阻器117结合构成的电流传感器，本领域的普通技术人员可以理解，也可用现有电流传感器的其他设计。例如，可以通过将电流传感电阻器直接串联到开关108和电路的接地端104之间来去掉所述的电流传感变压器110。在这种情况下，导线130上的电压依然是通过电流传感电阻器117的电压降。作为另一个替换，SENFET晶体管可用于提供电流传感功能。由于本发明的当前实施例用于可流过大电流的去纤颤器中，如上所述最好使用电流传感变压器110，这是因为对于流过开关108到电路的接地端104的电流出现一个较低的视在电阻。相应地，降低了由电流传感器(在这里，电流传感变压器)的电压降引起的能量损耗。直接串联到开关108和电路的接地端104之间的电流传感电阻器适于低电流应用。

在导线132上出现的电压信号为零的情况下，通过导线126输入到充电控制器中的电压信号仅是导线130上出现的电压信号。因此，通过导线132没有任何输入，充电控制器122通过导线126接收电压信号，其是流过电阻器117的电流的测量，从而如上所述也是流过初级绕组106的电流的量度。

本领域的普通技术人员可以理解：充电控制器122可以用离散电路部件来设计和实现。然而，更有利的是使用已公知的商用电流模式控制器如由摩托罗拉制造并以部件标识符MC34129出售的电流模式冲击激励电源电路来实现充电控制器122的功能。也可以并适于使用许多可替换的控制器如以部件标识符MC3848出售的摩托罗拉的设备。

本发明还包括控制电路134。控制电路提供比较功能，将电池102上的电压与参考电压150相比较。控制电路134的输出是导线132上出现的电压，其被加到导线130上的电流的电压量度上以在导线126上产生一个视在电流信号。

在控制电路134的中间是一个加法电路136。加法电路136通过导线151接收来自设有一个阈值参考电压的电压源150的第一输入信号。加法电路136上的第二输入信号是通过导线152接收的电池102的电池电压，导线152连接到电池的正端子上。通过导线144接收的加法电路136的第三输入信号是导线146上由放大器148放大的微处理器154的输出信号。

在加法电路136的加法端子上接收第一输入信号和第三输入信号，而在加法电路136的减法端子上接收第二输入信号。从而加法电路136在输出导线138上产生一个结果电压信号，其是第一输入信号和第三输入信号相加再减去第二输入信号。导线138上出现的结果信号由放大器140放大并由二极管142整流。二极管142的输出是导线132上出现的电压。

在电子和电路设计领域的普通技术人员可以理解：用于接收和组合各种信号的加法电路在本领域是公知的并且不需要充分的经验便可以容易地实现。例如，合适的加法电路可以包括一个加权加法器，其中载有要相加在一起的电压信号的导线在一个公共接点连接到一起以倒相运算放大器的输入。同时连接到该公共接点上的有在反馈路径中连接到运算放大器的输出端的电阻器。运算放大器的非倒相输入端接地。如电气领域的普通技术人员所理解的，加权加法器的输出端是各个输入导线上出现的电压信号的组合，每个输入信号通过各个信号导线中出现的电阻的反馈电阻器来加权。差分放大器在本领域也是公知的并用于电压信号的减法。要相减的电压信号连接到运算放大器的非倒相输入端。不论使用加权加法器或差分放大器，其均作为这里的加法电路的参考。

在导线146上来自微处理器154的输出为零的情况中，加法电路136产生一个输出，其等于电压源150提供的参考电压和电池102的电压之间的差值。从而，当导线102上的电压超过电压源150的参考电压时，导线138上出现的电压信号为负。甚至导线138上的电压通过放大器140放大，由于整流二极管142，导线138上出现的任何负电压使得导线132上出现零电压。因此，只要电池电压大于参考电压，加法电路128的输出保持通过电流传感电阻器117的电压的真实量度，从而也是通过初级绕组106的峰值电流的真实量度。

当电池102的电压降到低于电压源150设置的参考电压时，导线138上的加法电路136的输出电压为正，并通过放大器140放大。结果信号经过二极管142通过导线132到加法电路128上，并加到通过电流传感电阻器117检测到的电压电平。从而导线126上的加法电路的输出电压大于通过电流传感电阻器117的实际电压。

以这样的方式，由于从导线132增加的电压，充电控制器122被“欺骗”以确信通过电流传感电阻器117的电压(流过初级绕组106的电流的反应)大于其实际值。换句话说，充电控制器122接收导线126上的视在电流信号，其大于流过初级绕组106的电流的实际电平。从而，充电控制器122改变方式，其操作开关108以减少从电池102引出的电流量。由于电池102上的电压继续下降到低于参考电压，导线132上的信号增加、由此导线126上的信号增加，从而使充电控制器122减少从电池102引出的电流量。通过结合电压源150产生的参考电压的选择来设计由放大器140提供的放大，以提供使得从安装到去纤颤器的电池引出的电能最大化的充电速率控制功能。此外，希望根据本发明设计的控制电路的多种状态可用来提供电池特定的、非线性充电速率控制功能。

在此描述的实施例中，减少从电池102引出的电流量以响应电池电压的下降。从而，避免了这种情况，即，由于要求部分耗尽电池提供的电流大于电池在要求的电压电平上能够提供的电流，而关断去纤颤器的情况。持续减少从电池引出电流的过程直到电池的内阻上升太高并且可以认为电池被完全耗尽。通过使用有源部件(例如，放大器140、二极管142、和用于加法电路128和136中的部件)，本发明的控制电路能比使用编程微处理器的常规数字控制器更快地响应电池电压的下降。

在本发明的可替换实施例中，可以反向放置或整个去除整流二极管142。如果反置二极管142，控制电路以上述相反的方式工作。具体地，当电池102上的电压超过参考电压时，在导线132上将出现负电压，其可削弱由加法电路128产生发视在电流信号，从而导致充电控制器122增加从初级绕组106引出电流。当电池102上电压下降到低于参考电压时，由于反向二极管142的整流，导线132上出现的电压为零。如果在限制器结构中从导线132到电路接地端104连接一个二极管，可得到类似的结果。

如果去除整个二极管142，本发明的控制电路将使得导线126上的视在电流信号比导线130的实际电流信号高或低，这取决于电池电压比参考电压大或小。本领域普通技术人员可以理解将加法电路136和128的加法输入变为减法输入，和反之亦然，即，将减法输入改变为加法输入，能改变所述本发明的操作。

作为本发明的另一个实施例，到加法电路136上的导线144的第三输入信号允许微处理器154有输入到本发明的充电控制功能的输入。根据微处理器154的编程，微处理器有选择地在导线146上产生一个输出信号。如需要，输出信号经受脉冲宽度调制或数字-模拟转换(未示)。由放大器148放大的输出信号通过加法电路136被加到导线138上的结果信号上。相应地，在导线138上的电压为负(即，当电池电压大于参考电压时)的情况下，如果导线144上的电压足够大，导线138上的结果信号为正，从而在导线132上产生一个电压信号，其可改变导线126上的视在电流信号，如上所述。根据设计的放大器的放大量，电池电压电平有一个范围，其中尽管电池电压大于参考电压，而当导线146上有输出电压时，在导线132上产生非零信号并将该信号加到导线126上的视在电流信号上，从而使得充电控制器122调节从电池102引出的电流量。在去纤颤器被设置为以低能设置传送去纤颤治疗的情况中，允许微处理器154有一个到充电速率控制功能的输入尤其有用。通过减小电容器充电速率，微处理器154能防止高压电容器116的大的过充电，从而减少用于降低电容器116上的电压以校正去纤颤电压所需的延迟。

尽管已经描述了本发明的优选实施例，可以理解能够进行各种不背离本发明精神和保护范围的变形。例如，充电控制器122可以被构造为包括完整的控制电路134，从而在单个装置内实现充电速率控制功能，而不是如图1中所示的离散部件。应当理解本发明的保护范围由权利要求书来限定。

Claims (12)

1．一种用于改变线路中电流的电压量度的控制电路，电流调节电路使用所述电压量度，该电流调节电路控制通过所述线路从电池流出的电流以响应所述的电压量度，所述控制电路包括：

(a)具有加法输入端和减法输入端的加法电路，其中所述的加法输入端为参考电压，减法输入端为所述电池的电压，从而所述第一加法电路产生从参考电压减去电池电压的差值电压；

(b)具有阳极端子和阴极端子的二极管，其中二极管的阳极端子上为所述的差值电压；以及

(c)具有第一加法输入端和第二加法输入端的第二加法电路，其中所述二极管的阴极端子上的电压出现在第一加法输入端，所述电路线路中的电流的所述电压量度出现在第二加法端子，从而所述加法电路产生变化的电压量度，其包括电流的所述电压量度和所述二极管的阴极端子上出现的所述电压，所述变化的电压量度用于控制来自电池的电流的电流调节电路中。

2．根据权利要求1的控制电路，还包括一个连接到所述第一加法电路和所述二极管之间的放大器，所述放大器具有一个输入端和一个输出端，其中由所述第一加法电路产生的所述差值电压出现在所述放大器的输入端，出现在所述二极管阳极端子上的所述差值电压是在所述放大器的输入端上产生的放大的差值电压。

3．根据权利要求1的控制电路，其中所述第一加法电路的加法输入端是第一加法输入端，所述第一加法电路还包括一个第二加法输入端，其中所述第一加法电路产生一个差值电压，其是从参考电压减去电池电压再加上第二加法输入端上出现的电压。

4．根据权利要求3的控制电路，其中由微处理器的一个输出产生所述第一加法电路的第二加法输入端上出现的电压。

5．根据权利要求4的控制电路，其中由微处理器的一个输出产生的所述电压在通过第二加法输入端输入到第二加法电路前，通过一个放大器放大。

6．一种电容器充电器，包括：

(a)电池；

(b)具有初级绕组和次级绕组的升压变压器，其中所述初级绕组被连接到所述电池上；

(c)连接到所述次级绕组的二极管；

(d)连接到所述二极管的电容器；

(e)用于传感流过所述初级绕组的电流的电流传感器；

(f)串联连接到所述初级绕组和所述电流传感器之间的开关；以及

(g)控制电路，包括：

(ⅰ)具有一个接收电流的电压量度的输入端和连接到所述开关上的一个输出端，其中所述充电控制器使得所述开关周期导通和断开流过所述初级绕组的电流以响应所述输入端上接收到的电流的电压量度；

(ⅱ)具有一个加法输入端和一个减法输入端的第一加法电路，其中参考电压出现在加法输入端，所述电池的电压出现在减法输入端，从而所述第一加法电路产生差值电压，其等于参考电压减去电池电压；

(ⅲ)具有一个输入端和一个输出端的二极管，其中，所述差值电压出现在所述二极管的输入端；以及

(ⅳ)具有第一和第二加法输入端的第二加法电路，其中所述二极管输出端上的电压出现在第一加法输入端上，由所述电流传感器产生的电压出现在第二加法输入端上，所述加法电路结合第一和第二加法输入端上出现的电压并产生在所述充电控制器的所述输入端上接收到的电流的电压量度。

7．根据权利要求6的电容器充电器，还包括一个连接到所述第一加法电路和所述二极管之间的放大器，所述放大器具有一个输入端和一个输出端，其中由所述第一加法电路产生的所述差值电压出现在所述放大器的输入端上；出现在所述二极管的输入端上的所述差值电压是所述放大器的输出端上产生放大的差值电压。

8．根据权利要求6的电容器充电器，其中所述第一加法电路的加法输入端是第一加法输入端，所述第一加法电路还包括一个第二加法输入端，其接收微处理器输出的电压，其中所述第一加法电路产生等于参考电压减去电池电压并加到第二加法输入端上出现的电压的差值电压。

9．一种控制电容器充电电路中的电容器的充电速率的方法，其中所述电容器充电电路包括充电控制器，其用于控制从电池流出并流过连接到电容器上的变压器的电流，所述充电控制器控制电流以响应流过变压器的电流的视在量度，所述方法包括：

(a)通过从参考电压减去电池的电压来产生差值电压；

(b)通过将所述差值电压和代表流过变压器的电流的电压相加来产生电流的所述视在量度；以及

(e)将电流的所述视在量度提供到用于控制流过变压器电流的所述充电控制器上。

10．根据权利要求9的方法，其中产生差值电压的所述步骤包括将微处理器输出端接收的电压与从参考电压减去电池电压所确定的电压相加。

11．一种控制速率的电路，电池以该速率为蓄能电容器充电，该电路包括：

(a)升压变压器，其具有与电池耦连的初级绕组和与蓄能电容器耦连的次级绕组；

(b)开关，其有选择地接通以从电池引出的流过升压变压器初级绕组的电流；

(c)电流传感器，当开关接通时其产生表示流过初级绕组的电流的电平的信号；

(d)充电电路，其监测蓄能电容器上的电压并有选择地关断和接通开关直到在蓄能电容器上达到预定电压；以及

(e)比较电路，其比较电池电压和参考电压，该比较电路产生一个输出，其与充电电路耦连以使得充电电路调节蓄能电容器的充电速率。

12．根据权利要求11的电路，其中根据流过升压变压器初级绕组的电流的电平，充电电路控制蓄能电容器的充电速率，该电路还包括加法电路，其产生包括比较电路输出的视在电流信号，将该视在电流信号提供到充电电路中，从而当电池上的电压低于参考电压时，该视在电流信号大于流过初级绕组的电流的实际电平，充电电路响应视在电流信号以减缓蓄能电容器的充电速率。

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