CN215733585U - 一种心脏起搏器的无线充电器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种心脏起搏器的无线充电器，包括硬件部分包括体外功率发射部分与体内功率接收部分。体外功率发射部分主要由直流电源、全桥逆变模块、发射线圈、MCU、采样模块、蓝牙芯片等组成。直流电源和发射线圈之间通过全桥逆变模块进行连接，MCU通过引脚连接到全桥逆变模块的MOSFET的门极，控制MOSFET对直流电压进行逆变。采样模块和MCU通过ADC进行连接，将采样信息传给主控芯片。蓝牙芯片和MCU通过UART进行连接。本实用新型传输功率高；具有一定抗干扰能力，有效延长了电池寿命；方便用户使用；在较宽范围内能稳定充电，增强了产品的适用性，安全可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线充电技术领域，尤其涉及心脏起搏器的无线充电设备。
背景技术
心脏起搏器的寿命一般在8-10年，电池电量耗尽后需要手术替换，对患者的身体和经济情况都造成了一定的负担。
最近十年无线充电技术成为最热门的研究发展方向之一，目前实现无线充电主要通过3种方式，即电磁感应、无线电波和共振作用。而将无线充电技术应用于植入性医疗设备，特别是植入式心脏起搏器还处于方案设计和样机制作的阶段，尚没有成熟并可产品化的技术。如能将无线充电技术应用于植入式心脏起搏器，就可以在其电量不足的情况下，进行体外无线充电，补充电量，从而延长其使用寿命，减少病人更换的频率、手术痛苦和风险。以下列举几个关于心脏起搏器的无线充电的研究。
1、超声波体外无线充电装置：
一种采用超声波信号进行能量传递，并将能量储存在起搏器的可充电电源内，实现对植入式心脏起搏器电源进行能量补充的设计。由人体外的超声波发生器产生和发射超声波信号，植入人体内的心脏起搏器的电源模块接收超声波信号，同时转化为一定电压的电信号，并将电量储存在电源模块的可充电电池内，为心脏起搏器提供电能，从而实现对植入式心脏起搏器电源的能量补充，可充电电池的电量消耗和充电情况可通过外部程控仪对心脏起搏器的无线射频通讯获得。
该设计制作成本较低，结构简单，采用超声波信号作为能量传递的载体，能够无创穿透人体皮肤和肌肉组织，对已植入人体皮下的心脏起搏器的电源进行能量补充，而不具有电磁感应无线充电技术等对心脏起搏器正常工作的电磁干扰；可为其他植入性微型治疗装置电源的能量补充提供技术支持，具有一定的发展潜力，但目前存在传输效率极低的缺点，技术方面不够成熟，尚在研究阶段。
2、利用生物热量获取电能的心脏起搏器：
美国的一个科研团队开发出一种能从人体器官的自然运动中获取足够持续维持心脏起搏器运转的电能的仪器。以伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的约翰·罗杰斯为首的科学家在美国《国家科学院学报》月刊上公布了这一成果。
该仪器所使用的材料错钛酸铅由铅、错、钛和氧元素构成。将大量用这种材料制成的微小带状体紧密嵌入金属层，再由生物相容性人造材料进行包裹。由此—来，这种超薄能量制造器可被直接缝补到某一器官上。该仪器带有一块微电池，用作所产生电能的临时存储器。试验中，单层能量制造器可产生最高3.7伏电压。多层连通后则可提供约8伏电压，完全可以满足心脏起搏器运转所需。但其电压不稳定，电流不恒定，不能持续提供电能，应用于人体风险较大，故未投入市场。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种心脏起搏器的无线充电器。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
硬件部分包括体外功率发射部分与体内功率接收部分。
体外功率发射部分主要由直流电源、全桥逆变模块、发射线圈、MCU、采样模块、蓝牙芯片等组成。直流电源和发射线圈之间通过全桥逆变模块进行连接，MCU通过引脚连接到全桥逆变模块的MOSFET的门极，控制MOSFET对直流电压进行逆变。采样模块和MCU通过ADC进行连接，将采样信息传给主控芯片。蓝牙芯片和MCU通过UART进行连接。
体内功率接收部分则主要由接收线圈、电源管理芯片、储能元件、蓝牙芯片组成。接收线圈和储能元件通过电源管理芯片进行连接，蓝牙芯片和电源管理芯片通过I2C进行连接。
体外功率发射部分的蓝牙芯片和体内功率接收部分的蓝牙芯片通过蓝牙协议进行信息交换，形成反馈通道。
发射线圈和接收线圈通过磁耦合实现能量传递。
本实用新型达到了良好的效果：基于串联谐振电磁感应方式，传输功率高；选用长寿命储能元件，并应用电源管理芯片对其进行管理，具有一定抗干扰能力，有效延长了电池寿命；安装有低功耗蓝牙模块，可以使储能元件电量实时反馈于手机app中，方便用户使用；在功率发出端使用控制代码，使其在较宽范围内能稳定充电，增强了产品的适用性；电磁评估符合国家标准，安全可靠。
附图说明
图1是本实用新型装置整体框架图；
图2是主控板PCB原理图；
图3是采样板电路图；
图4是接收板PCB原理图。
具体实施方式
1.体外功率发射部分
1)主控板，参考图2，主控板由电源部分，数字部分，功率部分三部分组成。
(1)电源部分
主控板采用15V与5V双电池供电模式。其中15V电源负责对产品的数字与控制部分供电，而5V电源负责提供功率。15V电源由4节锂电池串联组成，一方面用于直接提供提供MOSFET的驱动电压，另一方面通过LM2596芯片降压为3.3V对芯片供电。
(2)数字部分
主控板由stm32f103c8t6充当主控芯片。数字部分所提供的资源有：4路ADC用于采样，一个SWD用于程序写入，一个串口用于检测通讯。
(3)功率部分
功率部分使用了MOSFET的全桥逆变进行直流转交流的变换。采用IRFP460APBF型号的MOSFET，具有极快的开通关断速度和较低的通态电阻，可满足本产品高频输出要求。MOSFET的驱动电路为芯片IR2110STRPBF，提供栅极驱动电压。每个MOSFET侧边反并联一个肖特基二极管SS34起续流作用。
(4)串联谐振部分
逆变模块之后连接的是用于功率传输的串联谐振部分。本无线充电装置采用磁耦合式无线能量传输中的串联谐振，适合中短距离传输，效率较高。并选用了串联谐振SS拓扑。相较于并联谐振，谐振时其电路有最小阻抗且成纯阻性，具有更高的感应电动势，更适合用于无线电能传输的发射端；如果是与电压源相联，电路有最大电流，并且电感或电容上的电压相等且是输入电压的Q倍，可以让无线充电的能量的传输效率达到高值。
一次侧谐振部分使用的是100nF的CBB电容与23uH的利兹线圈(双层，外径为50mm)。得其估算谐振频率为104.94kHz。
2)采样板
参考图3，采样板主要用于对功率部分输入的电压与电流进行检测与采样，并通过ADC传回给主控芯片进行控制。
3)蓝牙板
蓝牙板直接使用了IK-52832DK开发板(主控芯片为nRF52832)。其电源由主控板提供，并通过UART与主控板的MCU之间进行通信。
1.体内功率接收部分
参考图4，体内功率接收部分即接收板，由感应模块、电源管理模块、储能模块与蓝牙模块组成。
1)感应模块
二次侧谐振部分选用贴片金属薄膜电容ECHU1H104GX9，二次侧线圈与一次侧相同。整流部分采用的是肖特基二极管SS33，该二极管具有高耐压和低导通压降，可以尽量减少整流过程中的能量损失。滤波电容采用了100uF的陶瓷贴片电容以减少体积。
2)电源管理模块
电源管理模块采用了芯片bq25895。该芯片可以智能控制输入储能元件的电流并同时对于输入的电压和电流进行平衡以达到良好的充电效果。除此之外，由于bq25895提供了过压保护等机制，因此外界的非期望电磁干扰将很难对储能元件产生影响。
3)储能模块
选用了3.8V-2.5V的250F锂离子超级电容与5.5V，4F的超级电容器作为储能器件。LIC的尺寸参数为13*35*5，超级电容尺寸参数为26.8*6.7*7。
4)蓝牙模块
蓝牙模块采用了低功耗蓝牙nRF52832。其芯片所需的3.3V供电由TPS63900对于电源管理芯片的sys电压进行升/降压转换完成。TPS63900具有超低的静态电流(典型值200nA)，能够显著提高储能元件的充电周期。蓝牙天线采用了TI标准的2.4GHzPCB天线。
2.软件设计部分
1)扫频
由于各种元器件随着时间推移会产生参数改变，谐振频率将随着时间发生变化。因此我们在无线充电器每次使用时通过扫频以获得最佳的传输谐振频率。
命令每次stm32f103c8t6芯片Reset时，以0.5kHz步长遍历在95～110KHz的频率，同时监测在每个频率下的电流值，在每个频段停留40ms让监测的电流稳定，记录当前频率下的电流值。最后根据最大电流频段选出谐振频率。
2)输出功率调节
功率的调节方式是通过更改输出PWM波的占空比实现的，而调节占空比是通过调节死区时间实现的。芯片运行期间会不断监测当前的原边电流值，根据当前电流的大小来调节占空比使得电流尽快稳定在目标电流。其可作用于当原副边耦合时，原边调节占空比以使得输出功率足够大。
调节方法为牛顿迭代法。由于占空比与输出的功率或者说电流是正相关的单调关系，即Inow∝D，(I表示电流，D表示占空比)，即取目标函数为
g(D)＝[Inow(D)-Igoal]2
目标函数值g与D的函数关系在有意义的取值范围内是一个单谷函数，此时不论初始点如何都可以用牛顿迭代法来迭代改变D的值从而使得目标函数值收敛到零。也就是Inow(D)-Igoal。
根据牛顿迭代法公式：
这里需要目标函数在当前占空比下的导数值，获取的方法是改变一个很小的占空比值dD，采样得到改变的dG，则取
由此得到梯度后就可以迭代产生新的占空比，从而逼近目标电流值。
当在原边输入一个固定电压(5V)时，芯片会自动调节输出PWM的占空比以实现原边的电流达到目标值(2A)。
3)过压保护与频率调节
由于无线能量传输的系统拓扑结构所致，当电源管理芯片判断储能元件需要的功率较小时，会使得电源管理芯片的电源输入端(VBUS)产生过压。过压将会触发电源输入端的过压保护，此时储能元件将无法进行充电。这种情况尤其出现在一次侧线圈与二次侧线圈之间距离过近的时刻或储能元件预充电/终止充电等所需电流较小的时刻。为了使线圈可以在很近距离仍然完成充电过程，装置中采取调节频率的方式，使得频率远离线圈谐振频率以降低线圈之间传输的能量。
为了完成这一过程，本装置使用一次侧蓝牙以获得储能元件的状态信息，以观察VBUS过压指示位和未充电状态位。当VBUS过压时，应当调节频率使其渐渐远离谐振频率。当充电电压过小以致未充电(或本就未充电)时，应当将频率调回扫频时获得的最佳谐振频率。在该方式下有三档式的频率范围，分别为扫频最佳频率、扫频最佳频率(8kHz)与扫频最佳频率(20kHz)。在最佳频率时若发现过压，则降到第二档。仍然过压则再降一档。当任意一档功率不足时回到最佳频率传输。当线圈在不同距离时，随着储能元件自身状态的不同，每个频率段所可以正常给储能元件进行充电的距离也不同。频率越低，可正常充电的距离越小，范围也越小。
4)蓝牙从机“分时广播”
为了最大化地降低功耗，蓝牙从机采用了“分时广播”的方式——当设备未充电时，广播间隔为2s；当设备充电时，恢复快速广播，广播间隔为0.2s。
3.充电效果
经过多次试验后可得充电线圈的最大效率为70％。
当使用LIC作为储能元件时，在将电量充至3.8V后将其自然静置。其放电速率约为2.5J/h。当其从3.8V自然放电到2.5V(电池没电)，共经过了25天。即，使用LIC作为储能元件的可充电植入式心脏起搏器时，用户一般可以两星期进行一次充电。电池极限使用时间为三周半。将LIC电量放完后进行充电。LIC从2.5V到3.8V的充电时间为7分40秒。
当使用超级电容器作为储能元件时，其放电时间(从4.3V降至1.8V)为12小时。采用超级电容并联等方式，放电时间有望突破两天。超级电容器由于容量极小，充电时间非常快，可以在1min以内充满。
Claims (5)
1.一种心脏起搏器的无线充电器，包括体外功率发射部分与体内功率接收部分，其特征在于，
体外功率发射部分由直流电源、全桥逆变模块、发射线圈、MCU、采样模块、蓝牙芯片组成；
体内功率接收部分由接收线圈、电源管理芯片、储能元件、蓝牙芯片组成；
体外功率发射部分的蓝牙芯片和体内功率接收部分的蓝牙芯片通过蓝牙协议进行信息交换，形成反馈通道。
2.根据权利要求1所述的一种心脏起搏器的无线充电器，其特征在于，体外功率发射部分的直流电源和发射线圈之间通过全桥逆变模块进行连接。
3.根据权利要求2所述的一种心脏起搏器的无线充电器，其特征在于，MCU通过引脚连接到全桥逆变模块的MOSFET的门极，控制MOSFET对直流电压进行逆变，采样模块和MCU通过ADC进行连接，将采样信息传给主控芯片，蓝牙芯片和MCU通过UART进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种心脏起搏器的无线充电器，其特征在于，体内功率接收部分的接收线圈和储能元件通过电源管理芯片进行连接，蓝牙芯片和电源管理芯片通过I2C进行连接。
5.根据权利要求1所述的一种心脏起搏器的无线充电器，其特征在于，发射线圈和接收线圈通过磁耦合实现能量传递。
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