DE102006037668A1

DE102006037668A1 - Elektronische Vorrichtung mit einem zweifach verwendbaren induktiven Element

Info

Publication number: DE102006037668A1
Application number: DE200610037668
Authority: DE
Inventors: Peter Edward Chadwick
Original assignee: Zarlink Semiconductor AB
Current assignee: Microsemi Semiconductor AB
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2007-03-01
Also published as: GB0516788D0

Abstract

Offenbart wird eine elektronische Vorrichtung mit einem induktiven Element, das so gestaltet ist, dass es in einem Kommunikationsmodus als eine Antenne zum Aufnehmen von Kommunikationssignalen und in einem Energiewandelmodus als ein induktives Element, das als Energiespeicherinduktor in einem Schaltregulator ausgestaltet ist, welcher zum Konditionieren der Energie verwendet wird, welche aus einer internen Energiequelle verfügbar ist, um die Vorrichtung mit Energie zu versorgen, arbeitet, und einem steuerbaren Schalter zum Schalten zwischen dem Kommunikationsmodus und dem Energiewandelmodus. Das Kommunikationssystem weist weiter einen steuerbaren Schalter zum Verbinden des induktiven Elementes mit entweder dem Empfänger oder der Energiewandelschaltung auf. Der steuerbare Schalter schaltet das System zwischen dem Kommunikationsmodus und dem Energiewandelmodus mittels unipolarer oder bipolarer Transistorschaltung oder mittels mechanischer Schalter oder Relais. Das Kommunikationssystem kann in einer in vivo medizinischen Vorrichtung eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Vorrichtung, so wie eine miniaturisierte elektronische Vorrichtung. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung würde eine in vivo medizinische elektronische Vorrichtung sein, so wie ein Schrittmacher.

Hintergrund der Erfindung

Bei einem miniaturisierten elektronischen Gerät, so wie einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, ist Raum oftmals von höchstem Wert, und die Verwendung einer minimalen Anzahl von Komponenten ist wünschenswert. Eine weitere Anforderung; die bei solchen Vorrichtungen entsteht, ist der niedrige Energieverbrauch, so daß der Einsatz einer effizienten Energiemanagementtechnik erforderlich ist.

Die Kommunikation mit der in vivo-Vorrichtung kann durch eine Anzahl von Mitteln geschehen, so wie Funk, vom Typ her festgelegt durch den Medical Implant Communications Service, beschrieben in der ITU-R Empfehlung SA 1346, vom Typ her beschrieben durch Geräte, welche die Anforderungen des Standards EN301 839 erfüllen, oder durch Verfahren mit induktiver Schleife, vom Typ her beschrieben durch die Geräte, welche die Anforderungen der Standards EN300 330 und EN302 195 erfüllen wobei die Standards von dem European Telecommunications Standards Institute veröffentlicht sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung kann ein Induktor oder eine Aufnahmespule in der Energiemanagementschaltung einer elektronischen Vorrichtung auch benutzt werden, um ein vorherrschendes induktives Feld (so wie das, das in dem Standard EN300 330 definiert ist) zu empfangen, welches zum Zwecke der Kommunikation mit der Vorrichtung übertragen worden ist. Durch zweckmäßige Verwendung von Funkzugriffsprotokollen kombiniert mit Energiemanagementprotokollen kann der Energiewandler während Perioden des Kommunikationsempfangs abgeschaltet werden und umgekehrt. Auf diese Weise kann der Induktor zwischen einem Kommunikationsmodus und einem Energiewandelmodus geschaltet werden.

Frequenzen, die für diese Kommunikation verwendet werden, können zweckmäßigerweise diejenigen Frequenzen sein, die durch die International Telecommunications Union Radio Regulations als ISM (Industrielle, wissenschaftliche und medizinische – Industrial Scientific and Medical)-Frequenzen bezeichnet sind, sein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.

Bei einer Ausführungsform kann die Vorrichtung eine in vivo medizinische elektronische Vorrichtung in einem Tier oder einem Menschen sein.

Somit, gemäß einem Aspekt, stellt die Erfindung eine elektronische Vorrichtung zur Verfügung, welche einen Schaltregulator-Energiewandler zum Umwandeln von Energie, die aus einer Energiequelle abgezogen wird, um die Vorrichtung mit Energie zu versorgen; ein induktives Element, das so gestaltet ist, daß es in einem Kommunikationsmodus als eine Antenne zum Aufnehmen von Kommunikationssignalen und in einem Energiewandelmodus als ein induktives Element der Schaltregulator-Energiewandelschaltung arbeitet; einen Empfänger zum Empfangen der Kommunikationssignale; und einen steuerbaren Schalter zum Schalten zwischen dem Kommunikationsmodus und dem Energiewandelmodus aufweist.

Die interne Energiequelle soll so verstanden werden, daß sie physikalisch innerhalb des Gerätegehäuses enthalten ist oder als Alternative physikalisch von dem Gerätegehäuse getrennt, jedoch physikalisch mit dem System mittels eines elektrischen oder anderen Kabels verbunden ist, zum Beispiel durch eine optische Faser, die entweder gelegentlich oder ausschließlich zum Zwecke des Transportieren von Energie zu dem System verwendet wird.

Der steuerbare Schalter kann unipolare oder bipolare Transistorschalter oder mechanische Schalter oder Relais aufweisen.

Die elektronische Vorrichtung kann auch weiterhin einen Kondensator aufweisen, der im Kommunikationsmodus parallel zu dem induktiven Element liegt. Der Induktor kann bei der Kommunikationsfrequenz resonant sein.

Es gibt viele Vorteile, wenn man eine multiplexierte Schleifenantenne sowohl als die Antenne für Kommunikationszwecke als auch das induktive Element in einer kleinen Kommunikationsvorrichtung verwendet. Zunächst reduziert die zweifache Verwendung einer einzelnen Komponente die Gesamtanzahl von Komponenten, die in der Vorrichtung erforderlich sind, was somit den Raumbedarf innerhalb der Vorrichtung verbessert. Als zweites ist der Energieverbrauch der Vorrichtung effizienter und ausgeglichener.

Weitere Aspekte und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann bei einer Durchsicht der folgenden Beschreibung leicht deutlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten beschrieben, lediglich beispielhaft, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei 1 ein Blockschaubild einer elektronischen Vorrichtung mit einem induktiven Aufnahmeelement ist.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die elektronische Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist, kann zum Beispiel eine in vivo medizinische elektronische Vorrichtung sein, die sich in vivo in einem Tier oder einem Menschen befindet, wobei die Kommunikation mit der Vorrichtung zum Zwecke der Telemetrie oder für Fernbefehle erforderlich ist. Die Vorrichtung empfängt Kommunikationssignale von einer externen Quelle (nicht gezeigt) und zieht ihre Energie induktiv aus einer internen Energiequelle.
Die elektronische Vorrichtung umfaßt einen zweifach verwendbaren Induktor 101, der als eine Antenne für Kommunikationszwecke in dem Kommunikationsmodus und als ein induktives Element zum Zwecke der Energiewandlung in dem Energiewandelmodus dient. In diesem Modus ist der Induktor 101 mit einer internen Energiequelle verbunden, so daß der Energiewandler 104 Energie von der internen Quelle umwandeln kann, um das Kommunikationssystem 100 mit Energie zu versorgen. Der Energiewandler kann ein Wandler vom „Buck"- oder „Boost"-Typ sein. „Buck"-Wandler werden zum Erniedrigen der Spannung eingesetzt, während „Boost"-Wandler zum Erhöhen von Spannungen eingesetzt werden. Diese Wandler verwenden einen Induktor als Energiespeichervorrichtung und sind den Fachleuten üblicherweise als Schaltregulatoren bekannt.
Während des Empfangs von Kommunikationssignalen durch die Vorrichtung ist der Energiewandler 104 normalerweise abgeschaltet, und der Induktor 101, der auch als eine Energie speichervorrichtung dient, ist mit einem Empfänger 106 verbunden, um als eine Antenne für Kommunikationszwecke zu arbeiten.
Im Kommunikationsmodus nimmt der Induktor 101 elektromagnetische Energie aus der externen Quelle auf.
Die Schalteinheit 106, die Schalter 102 und 103 aufweist, dient dazu, den Induktor 101 entweder mit dem Energiewandler 104 oder dem Empfänger 106 zu verbinden. Ein Mikrocontroller 105, welcher die Schalter 102 und 103 steuert, verbindet die Schalter entsprechend der Anforderungen erlaubter Latenz und der Länge der Nachrichten und den Gesamtenergieanforderungen der Schaltung, die von dem Energiewandler 104 gespeist wird. Die Schalter können auf einer Basis multiplexiert zu regelmäßigen Zeiten betätigt werden, oder unregelmäßig als ein Ergebnis empfangener Telebefehlssignale oder von einem anderen System instruiert, zum Beispiel einem Mikrocontroller.
Die Schalter 102 und 103 können unipolare oder bipolare Transistoren sein. Wünschenswerterweise zeigen sie einen sehr geringen Widerstand in dem EIN-Zustand und eine niedrige Kapazität in dem AUS-Zustand. Die Schalter 102 und 103 können auch mechanische Schalter oder Relais sein.
Die Betriebsfrequenz des Energiewandlers 104 wird im Hinblick auf das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung des Wandlers, den gewünschten Wirkungsgrad, der Möglichkeit von Interferenzen mit weiteren Schaltungen in enger Nähe zu dem Wandler und den verfügbaren Werten der Induktanz in physikalischen Größen konsistent mit der Anwendung gewählt. Eine typische Frequenz sollte in dem Bereich von 1 bis 2 MHz liegen.
Die Betriebsfrequenz des Empfängers 106 wird im Hinblick auf den Wert des Induktors gewählt, der von dem Wandler 104 gefordert wird, dem erlaubten abgestrahlten Energiepegel (in dieser Hinsicht sollte angemerkt werden, daß die abgestrahlte Energie, die bei ISM-Frequenzen erlaubt ist, höher ist als bei anderen Frequenzen) und den verfügbaren Werten der Induktivität in physikalischen Größen, die konsistent mit der Anwendung sind. Typische Frequenzen für eine solche Verwendung sind 6.78, 13.56 und 27.12 MHz.
Der Kondensator 105 muß nicht immer nötig sein, obwohl das empfangene Signal größer sein wird, wenn die Schaltung, die aus dem Induktor 101 und dem Kondensator 105 besteht, resonant ist. Jedoch ist solche Resonanz für das System, das durch die Erfindung in Betracht gezogen wird, nicht notwendig, um zu arbeiten.
In dem Fall, daß der Kondensator 105 verwendet wird, wird der Wert des Induktors 101 so gewählt, daß er sowohl den korrekten Induktivitätswert für die Anforderungen des Energiewandlers 104 liefert und mit dem Kondensator 105 an der Frequenz resoniert, an der es erforderlich ist, ein Signal zu empfangen. Die Empfindlichkeit des Empfangssystems ist proportional zu der physikalischen Größe des Induktors, jedoch kann die Abstrahlung von dem Induktor, wenn er bei der Energiewandelschaltung verwendet wird, auch erhöht werden, obwohl in diesem Fall Schwierigkeiten beim Erfüllen von Anforderungen bei Emissionen, die von den Anforderungen der EMC (Elektromagnetische Kompatibilität – Electromagnetic Compatibility) abgedeckt werden, erfahren werden können.
Zahlreiche Modifikationen können vorgenommen werden, ohne daß man sich vom Umfang der Erfindung entfernt, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Elektronische Vorrichtung, die aufweist: einen Schaltregulator-Energiewandler (104) zum Umwandeln von Energie, die aus einer Energiequelle herausgezogen wird, um die Vorrichtung mit Energie zu versorgen; ein induktives Element (101), das so ausgestaltet ist, daß es in einem Kommunikationsmodus als eine Antenne zum Aufnehmen von Kommunikationssignalen und in einem Energiewandelmodus als ein induktives Element der Schaltregulator-Energiewandelschaltung arbeitet; eine Empfänger (106) zum Empfangen der Kommunikationssignale; und einen steuerbaren Schalter (102, 103; 106) zum Schalten zwischen dem Kommunikationsmodus und dem Energiewandelmodus.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der steuerbare Schalter (102, 103; 106) das induktive Element (101) entweder mit dem Empfänger (106) oder mit dem Energiewandler (104) verbindet.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung eine in vivo medizinische Vorrichtung ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der steuerbare Schalter (102, 103; 106) unipolare oder bipolare Transistorschalter oder mechanische Schalter oder Relais aufweist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das induktive Element (101) an der Kommunikationsfrequenz resonant ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das induktive Element (101) an der Kommunikationsfrequenz nicht resonant ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter mit einem Kondensator (105), der in dem Kommunikationsmodus parallel zu dem induktiven Element (101) liegt.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter mit einem Kondensator (105), der in dem Kommunikationsmodus in Reihe mit dem induktiven Element (101) liegt.