CN205178539U - 一种用于体外除颤器的电容充电保护电路及体外除颤器 - Google Patents

Abstract

本实用新型的实施例公开一种用于体外除颤器的电容充电保护电路及体外除颤器。包括：控制电路电源、变压器、整流器、待充电电容、开关、开关控制稳态触发单元、信号驱动单元以及微控制器，其中，控制电路电源与变压器初级线圈的一侧相连；变压器初级线圈的另一侧与开关的第一端相连；开关的第二端接地，第三端接开关驱动信号；变压器次级线圈的一端与整流器的第一输入端相连，另一端与整流器的第二输入端相连；整流器的输出端与待充电电容相连；信号驱动单元的输出端与开关的第三端相连，输入端与开关控制稳态触发单元的输出端相连；微控制器输出端与开关控制稳态触发单元的输入端相连。应用本实用新型，可以提高体外除颤器的工作可靠性。

Description

一种用于体外除颤器的电容充电保护电路及体外除颤器

技术领域

本实用新型涉及医疗设备技术，尤其涉及一种用于体外除颤器的电容充电保护电路及体外除颤器。

背景技术

心脏猝死(SCD，SuddenCardiacDeath)是心血管疾病的主要死亡原因，占心血管疾病死亡总数的50％以上。造成SCD的原因大部分是在各类心血管病变基础上发生的一时性功能障碍和电生理改变，并引起恶性室性心律失常，例如，室性心动过速(VT，VentricularTachycardia，简称室速)以及心室纤维颤动(VF，VentricularFibrillation，简称室颤)等。研究表明，一旦发生室颤，每延宕一分钟，除颤成功率将下降10％，在室颤发生10分钟之后，除颤成功率几乎为零，因而，在室颤发生时，利用除颤器及时对病人进行电除颤是挽救病人的关键。

心脏电复律最早用于消除室颤，是在短时间内向心脏通以高压强电流，使心肌瞬间同时除极，消除异位性快速心律失常，使之转复为窦性心律的方法，也称之为心脏电除颤。目前，心脏电除颤法临床应用最广泛的是除颤器。除颤器包括体内除颤器以及体外除颤器(AED，AutomatedExternalDefibrillator)，由于体外除颤器具有使用方便、能够即时进行除颤，得到了广泛的应用。例如，体外除颤器在接通电源后，通过按下放电按钮启动放电电路，通过脉冲放电电击人体，可以自动完成心电图自动分析，基于分析结果自动识别室颤和室速，从而及时实施除颤，由于除颤实施早，成功率较高，可提高患者心肺复苏成功率，是在心跳突然停止、发生室颤的情况下，通过电击刺激心脏使其恢复正常状态的便携式医疗器械。

其中，用于充放电的电容值大小为几十到几百微法，最高储存能量可达600焦耳，电压达上千伏，脉冲充放电的时间只有几毫秒到几十毫秒。因而，在电容充电时，用于为电容充电的电容充电保护电路的稳定性以及安全可靠性显得尤为重要。

图1为现有技术电容充电保护电路结构示意图。参见图1，该电容充电保护电路包括：控制电路电源01、变压器02、整流器03、待充电电容04以及开关05，其中，

控制电路电源01与变压器02初级线圈的一侧相连；

变压器02初级线圈的另一侧与开关05的第一端相连；

开关05的第二端接地，第三端接开关驱动信号，开关驱动信号可由微控制器或RC振荡器产生并输出；

变压器02次级线圈的一端与整流器03的第一输入端相连，另一端与整流器03的第二输入端相连；

整流器03的输出端与待充电电容04相连。

其中，

第一端为源极，第二端为漏极，第三端为栅极。较佳地，开关05为互补金属氧化物半导体管(MOS，MetalOxideSemiconductor)。

RC振荡器输出的开关驱动信号为固定脉宽信号，脉宽信号存在两种电平状态，即高电平状态和低电平状态，RC振荡器的最终稳定状态是高电平，因而，在RC振荡器的稳定状态，输出高电平脉宽信号，使开关一直导通；而通过微控制器输出的开关驱动信号为PWM信号，通过PWM信号控制开关的通断时间，但是当微处理器上电时，引脚可能会出现持续的高电平，也会使得开关一直处于导通状态。

由于体外除颤器做为急救设备，需要在紧急状态下随时能实施紧急电击除颤，因而，待充电电容需要在尽可能的短时间(＜10ms)内，即在开关的导通时间内充到1000V以上的高压，而高速充电中，导通的开关有大电流通过，而在微处理器或RC振荡器非正常工作时，例如，复位状态、故障状态下，输出的开关驱动信号将影响开关的导通时间，如果开关驱动信号控制不当，将导致开关导通时间延长，从而烧坏开关，使得体外除颤器不可用，降低了体外除颤器的工作可靠性；同时，长时间大电流经过开关，将使变压器的初级线圈饱和，从而浪费充电能量，降低充电效率。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种用于体外除颤器的电容充电保护电路及体外除颤器，提高体外除颤器的工作可靠性。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一方面，本实用新型实施例提供一种用于体外除颤器的电容充电保护电路，该用于体外除颤器的电容充电保护电路包括：控制电路电源、变压器、整流器、待充电电容、开关、开关控制稳态触发单元、信号驱动单元以及微控制器，其中，

控制电路电源与变压器初级线圈的一侧相连；

变压器初级线圈的另一侧与开关的第一端相连；

开关的第二端接地，第三端接开关驱动信号；

变压器次级线圈的一端与整流器的第一输入端相连，另一端与整流器的第二输入端相连；

整流器的输出端与待充电电容相连；

信号驱动单元的输出端与开关的第三端相连，输入端与开关控制稳态触发单元的输出端相连；

微控制器输出端与开关控制稳态触发单元的输入端相连，开关控制稳态触发单元的稳定状态为低电平、暂稳态输出固定宽度的脉冲的开关驱动信号。

优选地，所述开关控制稳态触发单元包括：单稳态触发器、第一电容以及第一电阻，其中，

单稳态触发器的第一输入端与微控制器的输出端相连，第二输入端接入单稳态触发器的第二输出端，单稳态触发器的第一输出端与信号驱动单元的输入端相连；

单稳态触发器的第三输入端分别与第一电容的一端以及第一电阻的一端相连；

第一电容的另一端接地，第一电阻的另一端接入供电电源。

优选地，所述信号驱动单元包括开关驱动芯片，所述开关驱动芯片的输入端与单稳态触发器的第一输出端相连，输出端与开关的第三端相连。

优选地，所述信号驱动单元进一步包括：

第一分压电路，其中，第一分压电路包括第二电阻以及第三电阻；

第二电阻的一端与单稳态触发器的第一输出端相连，另一端分别与第三电阻的一端以及开关驱动芯片的输入端相连；

第三电阻的另一端接地。

优选地，所述信号驱动单元进一步包括：

第二分压电路，其中，第二分压电路包括第四电阻以及第五电阻，

第四电阻的一端与开关驱动芯片的输出端相连，另一端分别与第五电阻的一端以及开关的第三端相连；

第五电阻的另一端接地。

优选地，所述开关控制稳态触发单元包含一稳定状态以及一暂稳态，其中，利用下式计算所述暂稳态维持的时间：

$t_w=RCln\frac{V_C\left(\mathrm{\∞}\right)-V_C\left(0\right)}{V_C\left(\mathrm{\∞}\right)-V_{TH}}$

式中，

t_w为暂稳态维持的时间；

V_c为电路中的输入电压，V_C(0)＝0，V_C(∞)＝V_DD；

V_TH为阈值电压；

R为第一电阻阻值；

C为第一电容容值；

V_DD以及V_TH分别为预先设置的阈值。

优选地，所述开关包括：绝缘栅双极型晶体管、互补金属氧化物半导体管、三极管或双极型晶体管。

优选地，所述MOS管包括：P沟道MOS管或N沟道MOS管，所述第一端为源极，第二端为漏极，第三端为栅极。

一种体外除颤器，包括前述任一实施例所述的用于体外除颤器的电容充电保护电路。

本实用新型实施例提供的用于体外除颤器的电容充电保护电路及体外除颤器，通过在电容充电保护电路增加开关控制稳态触发单元，开关控制稳态触发单元的稳定状态是低电平，并在开关控制稳态触发单元中设置RC电路用以控制输出电平的脉冲宽度，从而在微处理器非正常工作时，例如，复位状态、故障状态下，可以确保输出至开关的开关驱动信号保持正常，避免开关导通时间延长，从而烧坏开关，使得体外除颤器不可用的情况出现，提升了体外除颤器的工作可靠性；同时，设置RC电路用以控制输出电平的脉冲宽度，可以确保只有短时间大电流经过开关，避免变压器的初级线圈饱和，从而浪费充电能量，有效提升了充电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术电容充电保护电路结构示意图；

图2为本实用新型实施例用于体外除颤器的电容充电保护电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图2为本实用新型实施例用于体外除颤器的电容充电保护电路结构示意图。参见图2，该电容充电保护电路包括：控制电路电源01、变压器02、整流器03、待充电电容04、开关05、开关控制稳态触发单元06、信号驱动单元07以及微控制器08，其中，待充电电容04为高压电容；

控制电路电源01与变压器02初级线圈的一侧相连；

变压器02初级线圈的另一侧与开关05的第一端相连；

开关05的第二端接地，第三端接开关驱动信号；

变压器02次级线圈的一端与整流器03的第一输入端相连，另一端与整流器03的第二输入端相连；

整流器03的输出端与待充电电容04相连；

信号驱动单元07的输出端与开关05的第三端相连，输入端与开关控制稳态触发单元06的输出端相连；

微控制器08输出端与开关控制稳态触发单元06的输入端相连，开关控制稳态触发单元06的稳定状态为低电平、暂稳态输出固定宽度的脉冲的开关驱动信号。

其中，较佳地，开关05包括但不限于：绝缘栅双极型晶体管(IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor)、互补金属氧化物半导体管(MOS，MetalOxideSemiconductor)、三极管或双极型晶体管(BJT，BipolarJunctionTransistor)等。其中，MOS管包括但不限于：P沟道MOS管、N沟道MOS管等。

较佳地，第一端为源极(S)，第二端为漏极(D)，第三端为栅极(G)。

作为一可选实施例，开关控制稳态触发单元06包括：单稳态触发器62、第一电容63以及第一电阻64，其中，

单稳态触发器62的第一输入端与微控制器08的输出端相连，单稳态触发器62的第二输入端与第二输出端相连接，第三输入端分别与第一电容63的一端以及第一电阻64的一端相连；

第一电容63的另一端接地，第一电阻64的另一端接入预先设置的阈值电压信号；

单稳态触发器62的第一输出端与信号驱动单元07的输入端相连。

作为一可选实施例，信号驱动单元07为一开关驱动芯片71，输入端与单稳态触发器62的第一输出端相连，输出端与开关05的第三端相连。

作为另一可选实施例，信号驱动单元07还可以进一步包括第一分压电路72，其中，第一分压电路72包括第二电阻73以及第三电阻74，

第二电阻73的一端与单稳态触发器62的第一输出端相连，另一端分别与第三电阻74的一端以及开关驱动芯片71的输入端相连；

第三电阻74的另一端接地。

作为再一可选实施例，信号驱动单元07还可以进一步包括第二分压电路75，其中，第二分压电路75包括第四电阻76以及第五电阻77，

第四电阻76的一端与开关驱动芯片71的输出端相连，另一端分别与第五电阻77的一端以及开关05的第三端相连；

第五电阻77的另一端接地。

本实用新型实施例中，以开关为MOS管为例，影响MOS管烧坏的主要因素是由于MOS管在较长时间内有大电流通过，使得MOS管结温过高被烧坏，因而，防止MOS管烧坏，需要控制MOS管的导通时间。

本实用新型实施例中，通过增加开关控制稳态触发单元，开关控制稳态触发单元中的单稳态触发器的稳定状态是低电平，只有短时的暂稳态状态翻转为高电平，从而使MOS管导通。因而，通过单稳态触发器对微处理器输出的信号进行脉宽固定，从而调整信号周期(频率)来控制MOS管的导通时间，从而在微处理器非正常工作时，可以确保MOS管的导通时间不会过长，达到有效防止MOS管烧坏，并提高充电效率。

单稳态触发器包含一稳定状态以及一暂稳态。当单稳态触发器处于稳定状态时，使得MOS管处于截止状态，在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从稳定状态翻转到暂稳态，使MOS管被导通，由于电路中RC(第一电阻以及第一电容)延时环节的作用，该暂稳态维持一段时间又回到原来的稳定状态，暂稳态维持的时间取决于RC的时间常数参数值。

本实用新型实施例中，根据下式计算时间常数：

τ＝RC

式中，

τ为时间常数；

R为第一电阻阻值；

C为第一电容容值。

单稳态触发器输出的脉冲宽度，即暂稳态维持的时间(高电平)宽度计算公式如下：

$t_w=RCln\frac{V_C\left(\mathrm{\∞}\right)-V_C\left(0\right)}{V_C\left(\mathrm{\∞}\right)-V_{TH}}=RC\ln 2\≈0.7RC$

式中，

t_w为暂稳态高电平脉冲宽度，即暂稳态维持的时间；

V_c为电路中的输入电压，V_C(0)＝0，V_C(∞)＝V_DD；

V_TH为阈值电压；

当V_C(t_w)＝V_TH，电阻R＝5.1K，电容C＝2200pF，可得暂稳态高电平脉冲宽度t_w≈8μs，即每一次充电持续8微秒。

式中，V_DD以及V_TH分别为预先设置的阈值，可依据实际需要进行设置，在此略去详述。

本实用新型实施例中，变压器的初级线圈的电流是不断增加的，经过高频开关多次对变压器的初级线圈进行充电，变压器的次级线圈会产生反向电压，但由于整流器(整流二极管)为关断状态，因而，次级线圈中没有电流通过，还可以在电容充电保护电路中增加检测电路，通过磁储能检测方式或电流采样方式来检测变压器的初级线圈的能量储存状态。当能量储存达到预先设置的峰值，直接通知信号驱动单元关闭开关，并通过多次检测，可以确定第一电容以及第一电阻的参数值。

通过上述方式，可以有效缩短MOS管的导通时间，变压器的储能时间变短，提高能量的转换频率，同样可以满足电除颤的储能要求，有效防止MOS管被烧坏，同时，减少变压器磁饱和的可能性，提高了充电效率，提升了电容充电保护电路的稳定性和可靠性。

本实用新型实施例中，微控制器输出的信号通过单稳态触发器固定脉宽宽度，调整脉宽周期来控制MOS管的通断时间对变压器充电。由于单稳态触发器能产生一定宽度的矩形输出脉冲，利用这种矩形脉冲去控制MOS管的导通与截止。其中，单稳态触发器存在稳态(稳定状态)和暂稳态，当单稳态触发器一经上升沿时被触发，电路就由稳态进入到暂稳态，此时MOS管导通，充电电压加在变压器的初级线圈上，变压器进行储能，由于暂稳态的时间仅由电路参数R、C决定，当单稳态触发器由暂稳态回到稳态，MOS管关断，储存在次级线圈中的能量释放出来对待充电电容进行充电。

由于暂稳态期间输出电平的高低与从微控制器的输入信号状态无关，这样更能使电路更加稳固可靠。

表1为本实用新型实施例的单稳态触发器的功能表。

表1

表1中，

H表示高电平，L表示低电平，×表示高或者低电平，↑表示上升沿，↓表示下降沿；

表示一高电平的输出脉冲，表示一低电平的输出脉冲。

本实用新型实施例中加入单稳态触发器，在微处理器非正常工作时不会对MOS管产生影响，可以有效控制MOS管的导通时间不会很长，确保MOS管在充电过程中工作正常，保证电路性能稳定和可靠，使得AED能够被正常使用。

由上述可见，本实用新型实施例用于体外除颤器的电容充电保护电路，通过在电容充电保护电路增加开关控制稳态触发单元，开关控制稳态触发单元的稳定状态是低电平，并在开关控制稳态触发单元中设置RC电路用以控制输出电平的脉冲宽度，从而在微处理器非正常工作时，例如，复位状态、故障状态下，可以确保输出至开关的开关驱动信号保持正常，避免开关导通时间延长，从而烧坏开关，使得体外除颤器不可用的情况出现，提升了体外除颤器的工作可靠性；同时，设置RC电路用以控制输出电平的脉冲宽度，可以确保只有短时间大电流经过开关，避免变压器的初级线圈饱和，从而浪费充电能量，有效提升了充电效率。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于体外除颤器的电容充电保护电路，其特征在于，该用于体外除颤器的电容充电保护电路包括：控制电路电源、变压器、整流器、待充电电容、开关、开关控制稳态触发单元、信号驱动单元以及微控制器，其中，

控制电路电源与变压器初级线圈的一侧相连；

变压器初级线圈的另一侧与开关的第一端相连；

开关的第二端接地，第三端接开关驱动信号；

变压器次级线圈的一端与整流器的第一输入端相连，另一端与整流器的第二输入端相连；

整流器的输出端与待充电电容相连；

信号驱动单元的输出端与开关的第三端相连，输入端与开关控制稳态触发单元的输出端相连；

微控制器输出端与开关控制稳态触发单元的输入端相连，开关控制稳态触发单元的稳定状态为低电平、暂稳态输出固定宽度的脉冲的开关驱动信号。

2.根据权利要求1所述的用于体外除颤器的电容充电保护电路，其特征在于，所述开关控制稳态触发单元包括：单稳态触发器、第一电容以及第一电阻，其中，

单稳态触发器的第一输入端与微控制器的输出端相连，第二输入端接入单稳态触发器的第二输出端，单稳态触发器的第一输出端与信号驱动单元的输入端相连；

单稳态触发器的第三输入端分别与第一电容的一端以及第一电阻的一端相连；

第一电容的另一端接地，第一电阻的另一端接入供电电源。

3.根据权利要求1所述的用于体外除颤器的电容充电保护电路，其特征在于，所述信号驱动单元包括开关驱动芯片，所述开关驱动芯片的输入端与单稳态触发器的第一输出端相连，输出端与开关的第三端相连。

4.根据权利要求3所述的用于体外除颤器的电容充电保护电路，其特征在于，所述信号驱动单元进一步包括：

第一分压电路，其中，第一分压电路包括第二电阻以及第三电阻；

第二电阻的一端与单稳态触发器的第一输出端相连，另一端分别与第三电阻的一端以及开关驱动芯片的输入端相连；

第三电阻的另一端接地。

5.根据权利要求3所述的用于体外除颤器的电容充电保护电路，其特征在于，所述信号驱动单元进一步包括：

第二分压电路，其中，第二分压电路包括第四电阻以及第五电阻，

第四电阻的一端与开关驱动芯片的输出端相连，另一端分别与第五电阻的一端以及开关的第三端相连；

第五电阻的另一端接地。

6.根据权利要求1至5任一项所述的用于体外除颤器的电容充电保护电路，其特征在于，所述开关包括：绝缘栅双极型晶体管、互补金属氧化物半导体管、三极管或双极型晶体管。

7.根据权利要求6所述的用于体外除颤器的电容充电保护电路，其特征在于，所述互补金属氧化物半导体管包括：P沟道MOS管或N沟道MOS管，所述第一端为源极，第二端为漏极，第三端为栅极。

8.一种体外除颤器，其特征在于，包括前述权利要求1-7任一项所述的用于体外除颤器的电容充电保护电路。