Устройство с внутренней передачей энергии
Группа изобретений относится к медицине, в частности к электронному устройству с источником питания постоянного тока и потребляющими энергию электронными схемами и к способу передачи энергии между этими компонентами. Напряжение постоянного тока источника питания преобразуется в напряжение переменного тока, которое затем передается через разъем в электронные схемы. Негативные эффекты, вызванные загрязнением разъема влагой из окружающей среды, могут быть сведены к минимуму. Группа изобретений, в частности, пригодна для имплантируемых устройств, поскольку позволяет соединять сменную батарею с электронными схемами через негерметичный разъем. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к электронному устройству, например, изделию бытовой электроники или медицинскому имплантату, который содержит источник питания постоянного тока, от которого электроэнергия должна быть передана к потребляющим энергию электронным схемам.
Изобретение дополнительно относится к способу передачи электроэнергии внутри такого электронного устройства.
Изобретение дополнительно относится к модулю подачи питания, предназначенному для использования в таком электронном устройстве, для передачи энергии в потребляющие энергию электронные схемы.
Предшествующий уровень техники
Медицинский имплантат, такой, как кардиостимулятор или система глубокой стимуляции мозга, представляет собой типичный пример электронного устройства, в котором электроэнергия должна быть передана из источника питания постоянного тока (аккумуляторной батареи) в потребляющие энергию схемы. Из-за работы во влажной среде, должны быть приняты меры предосторожности, чтобы избежать неблагоприятных эффектов, таких как электролиз, когда электронные компоненты имплантата входят в контакт с влагой. В US 3888260, это достигается, благодаря предоставлению имплантата с двойной герметизацией. Однако, когда аккумуляторную батарею имплантата требуется заменить в конце срока ее службы, это трудно сделать без полного повреждения такой герметизации.
В EP 1424098 A1 и US 6308101 В1 раскрыты имплантируемые устройства, которые состоят из компонента, содержащего аккумуляторную батарею, и компонента содержащего электрическую схему, для кохлеарного возбуждения. Эти два компонента соединены кабелем, выполненным с возможностью отсоединения, через который напряжение постоянного тока батареи передают, как напряжение переменного тока. В одном варианте осуществления полюса аккумуляторной батареи, например, соединяют с тремя линиями поочередно, в соответствии с некоторым планом выборки.
В US 5948006 A раскрыто имплантируемое устройство с аккумуляторной батареей, которая может быть перезаряжена через кожу посредством индукции.
Краткое изложение существа изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить средство, которое позволяет выполнить безопасную передачу энергии между источником питания постоянного тока и электронными схемами, даже в проблемных средах, например, при воздействии влаги.
Такая задача решается с помощью электронного устройства по п.1 и способа по п.2 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Электронное устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит следующие компоненты:
a) "Модуль подачи питания", который содержит источник питания DC (постоянного тока) и (обычно, по меньшей мере, два) выходные контакты питания, то есть электрические контакты, через которые источник питания постоянного тока может подавать электроэнергию потребителю.
b) "Модуль потребителя", который содержит (обычно, по меньшей мере, два) входные контакты питания (через которые модуль потребителя может принимать электроэнергию), и потребляющие энергию электронные схемы. Сущность и конструкция электронных схем могут изменяться в значительной степени, в зависимости от назначения электронного устройства.
c) Разъем, через который соответствующие выходные контакты питания и входные контакты питания могут быть электрически соединены с возможностью отсоединения. Разъем, например, имеет конструкцию типа штепсельного соединителя с соответствующими штыревыми и гнездовыми контактами, как известно в современном уровне техники. Однако следует отметить, что реализация контактов и разъема может в значительной степени изменяться, если только достигается требуемая передача энергии. Следовательно, контакт может быть также реализован на корпусе устройства, или разъем может содержать простую емкостную связь между выходным и входным контактами питания.
d) DC-AC преобразователь (постоянного тока в переменный ток) (также называемый "инвертором постоянного тока"), который расположен в модуле подачи питания между источником питания постоянного тока и выходными контактами питания. Преобразователь постоянного тока в переменный ток принимает постоянное напряжение от источника питания в качестве входного сигнала, преобразует его в выходное напряжение переменного тока, и подает это напряжение тока на выходные контакты питания.
Изобретение, в дополнительном аспекте, предусматривает соответствующий способ передачи электроэнергии от модуля подачи питания с источником питания постоянного тока и выходными контактами питания в модуль потребителя с входными контактами питания и потребляющими энергию электронными схемами через разъем для соединения соответствующих выходных контактов питания и входных контактов питания, причем способ, содержит следующие этапы на которых:
a) преобразуют напряжение постоянного тока, обеспечиваемое от источника питания постоянного тока, в напряжение переменного тока с помощью преобразователя постоянного тока в переменный ток.
b) обеспечивают упомянутое напряжение переменного тока на выходные контакты питания.
Изобретение, в дополнительном аспекте, предусматривает модуль подачи питания, предназначенный для использования в устройстве в соответствии с изобретением, содержащий:
a) источник питания постоянного тока;
b) выходные контакты питания; и
c) преобразователь постоянного тока в переменный ток, который расположен между источником питания постоянного тока и выходными контактами питания.
Описанный модуль подачи питания в электронном устройстве и способ преобразуют напряжение постоянного тока, подаваемое из доступного источника питания постоянного тока, в напряжение переменного тока, которое затем передается через разъем в модуль потребителя. Использование разъема имеет преимущество, состоящее в том, что модуль подачи питания и модуль потребителя могут быть легко отделены друг от друга, например, если израсходованный модуль подачи питания требуется заменить новым. Одновременно, вредное воздействие электропроводной влаги, которая может попасть в разъем во влажной среде, сводится к минимуму, благодаря использованию только напряжения переменного тока (а не постоянного тока) на контактах разъема.
Далее будут описаны различные предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые относятся, как к электронному устройству, так и к способу, описанному выше.
Источник питания постоянного тока в модуле подачи питания может представлять собой устройство любого типа, обеспечивающее возможность подавать напряжение постоянного тока и/или постоянный ток. Оно может, например, содержать средство, которое накапливает электроэнергию постоянного тока из окружающей среды (например, за счет тепла тела) и передает ее в модуль потребителя, где энергия потребляется и/или запасается (например, в аккумуляторной батарее). В большинстве случаев, источник питания постоянного тока будет содержать накопитель энергии, из которого производят отбор электроэнергии. Такой накопитель может, например, представлять собой конденсатор (большой емкости). Наиболее предпочтительно, накопитель представляет собой аккумуляторную батарею, в которой электроэнергия запасается в электрохимической форме, в которой могут использоваться, как перезаряжаемые аккумуляторные батареи, так и аккумуляторные батареи однократного использования.
Части модуля подачи питания, кроме выходных контактов питания, и/или части модуля потребителя, кроме входных контактов питания, предпочтительно, герметизированы, то есть, расположены внутри герметичной оболочки, которая предотвращает проникновение влаги и/или пыли снаружи. Это делает модули пригодными для применения во влажной среде.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения конденсатор (называемый "разделительным конденсатором") установлен между преобразователем постоянного тока в переменный ток и соответствующим выходным контактом питания. Разделительный конденсатор предотвращает возникновение напряжения постоянного тока между двумя выходными контактами питания, делая, таким образом, модуль подачи питания безопасным, даже в случае неисправности в его электронных схемах, поскольку напряжение постоянного тока никогда не сможет возникнуть, и, поэтому, на контактах не проявляются какие-либо неблагоприятные эффекты, такие, как электролиз.
Частота выходного напряжения переменного тока, которое обеспечивается из преобразователя постоянного тока в переменный ток на выходных контактах питания, предпочтительно, находится в диапазоне между 1 Гц и 1 МГц. Соответствующее значение может быть выбрано, как частота, которая сводит к минимуму вредные воздействия (например, электролиз) в определенной среде, в которой будет использовать электронное устройство.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, преобразователь постоянного тока в переменный ток может допускать "импульсный режим работы" с импульсной активностью. В этом режиме работы преобразователь постоянного тока в переменный ток изменяет фазы, в которых он преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, и передает последнее на выходные контакты питания в фазах, в которых он не преобразует напряжение постоянного тока (выходные контакты питания предпочтительно заземлены во время этих фаз). Следует отметить, что импульсная работа представляет собой изменение, которое происходит на более высоком уровне (с более низкой частотой), чем изменение напряжения переменного тока во время фаз его активности. Предложенная импульсная работа преобразователя постоянного тока в переменный ток имеет преимущество, состоящее в том, что критические периоды передачи энергии сконцентрированы в фазах активности, оставляя меньше времени для возникновения отрицательных эффектов, таких, как ток утечки.
Кроме того, фазы активности преобразователя постоянного тока в переменный ток в импульсном режиме работы являются достаточно длительными для заряда промежуточного накопителя энергии (например, конденсатора) в модуле потребителя в достаточной степени (то есть, более чем приблизительно 80%, предпочтительно более, чем 90% его емкости). В электронные схемы модуля потребителя затем может непрерывно подаваться электроэнергия из промежуточного накопителя энергии, в то время, как нет необходимости в непрерывной передаче энергии по критическому маршруту через соединитель.
В зависимости от их конкретной конструкции, потребляющие энергию электронные схемы модуля потребителя обычно требуют либо питания переменного тока, или питания постоянного тока для их работы. В первом случае, напряжение переменного тока, которое подается от преобразователя постоянного тока в переменный ток, может использоваться либо непосредственно электронными схемами в модуле потребителя, или после дополнительного преобразования (переменного тока). В предпочтительном варианте осуществления изобретения потребляющие энергию электронные схемы в модуле потребителя, требуют напряжения постоянного тока, и устройство дополнительно содержит преобразователь переменного тока в постоянный ток, который расположен между входными контактами питания и потребляющими энергию электронными схемами модуля потребителя. В этом случае преобразование из постоянного тока в переменный ток выполняют только, как промежуточный этап, для обеспечения безопасной передачи энергии через разъем.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления конструкции, устройство содержит конденсатор (называемый "накопительным конденсатором"), который соединяет выходы преобразователя переменного тока в постоянный ток. Накопительный конденсатор может сглаживать остаточные составляющие переменного тока и моменты времени переключения моста в выходном сигнале преобразователя переменного тока в постоянный ток. Кроме того, накопительный конденсатор может работать, как промежуточный накопитель электроэнергии, такой, как упомянут выше в связи с импульсным режимом работы передачи энергии.
Преобразователь постоянного тока в переменный ток модуля подачи питания может, в случае необходимости, быть разработан таким образом, что он, по существу, будет предоставлять выходное напряжение прямоугольной формы волны. В этом случае выходное напряжение переменного тока может быть непосредственно преобразовано снова в напряжение постоянного тока, поскольку требуется только переключать полярность при передаче напряжения прямоугольной формы волны.
Хотя использование напряжения переменного тока помогает свести к минимуму отрицательные эффекты возможного загрязнения разъема влагой, могут быть предприняты дополнительные меры, для исключения такого загрязнения вообще. Следовательно, предпочтительно, чтобы разъем содержал гидрофобные материалы, которые отталкивают влагу. Дополнительно или в качестве альтернативы, разъем не должен, по существу, содержать пустот, когда он находится в своем соединенном состоянии, в котором, "по существу", означает, что оставшиеся пустоты являются практически неизбежными, из-за производственных допусков, вариаций материала и т.д. Сведение к минимуму пустот непосредственно ограничивает объем, который может быть заполнен, возможно, вредной влагой. Кроме того, в случае необходимости, в разъеме могут быть предусмотрены резервные контакты, для обеспечения безопасной работы, даже в случае отказа некоторых из контактов.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, электронное устройство представляет собой имплантируемое медицинское устройство, например, электрокардиостимулятор или систему глубокой стимуляции мозга (DBS), хирургический инструмент или проглатываемое электронное изделие (называемое "электронным лекарством" или "электронной таблеткой"). Эти электронные устройства подвергаются воздействию влажной и электрохимически активной окружающей среды, которая может войти в контакт с электронными компонентами устройства. В то же время, требования безопасности, конечно, являются чрезвычайно высокими в этих случаях, поскольку любая неисправность может непосредственно создать угрозу для здоровья пациента. Настоящее изобретение обеспечивает предпочтительное решение этой дилеммы, что гарантирует безопасную подачу питания и одновременно обеспечивает простую замену аккумуляторной батареи, в случае необходимости.
В соответствии с другим вариантом осуществления, электронное устройство в соответствии с изобретением может представлять собой изделие бытовой электроники, в частности, мультимедийный проигрыватель или устройство записи (например, проигрыватель CD, проигрыватель MP3, видеоустройство, цифровую или аналоговую камеру), сотовый телефон, калькулятор, измерительное устройство (например, устройство для измерения расстояния или температуры, предназначенное для работы вне помещений), инструмент (дрель или шуруповерт), оборудование для трубопроводов (например, для измерений расхода текучей среды), бритву, оборудование, используемое водолазами и т.п.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает принципиальную схему электронного устройства в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 изображает вариант принципиальной схемы по фиг.1, в которой дополнительно учитывается сопротивление утечки;
Фиг.3 изображает вариант принципиальной схемы по фиг.2, в которой дополнительно присутствует разделительный конденсатор;
Фиг.4 изображает возможные сигналы управления, подаваемые на транзисторы в преобразователе постоянного тока в переменный ток по фиг.1;
Фиг.5 изображает выходное напряжение преобразователя постоянного тока в переменный ток по фиг.1 при работе в импульсном режиме.
Одинаковые номера ссылочных позиций на фигурах относятся к идентичным или аналогичным компонентам.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Далее изобретение будет описано со ссылкой на медицинские имплантаты, хотя оно не ограничено этим вариантом применения.
Достаточно трудно разработать механическую конструкцию герметично изолированного имплантата, который был бы полностью устойчивым к воздействию влаги, и его бы все еще можно было вновь открывать, если необходимо заменить деталь или требуется ремонт. Такая замена, в частности, необходима время от времени для перезаряжаемой аккумуляторной батареи в имплантате в конце ее срока службы. Для простоты замены может быть предусмотрен разъем между батареей и электронным устройством имплантата (оба герметично изолированы). Однако, фактически невозможно исключить на практике попадание влаги между контактами, при хирургической замене батареи, или во время имплантации устройства в тело человека. Поэтому, электролиз, из-за напряжения постоянного тока аккумуляторной батареи, который может привести, как к растворению контактов разъема, так и к образованию газов, невозможно предотвратить, когда присутствует напряжение постоянного тока на разъеме. Оба эффекта могут быть опасными и могут привести к ненадежному соединению или даже к разрыву соединения между аккумуляторной батареей и электронным устройством и прямо (например, через газы) или косвенно (неисправность имплантата) наносят вред пациенту.
Было бы намного проще, если бы можно было допустить попадание влаги в корпус, содержащий аккумуляторную батарею и электронное устройство, и если бы механическая конструкция напоминала (простой) разъем между аккумуляторной батареей и электронным устройством. Чтобы достичь этого, в изобретении предложено включить преобразователь постоянного тока в переменный ток в сменную аккумуляторную батарею. Если частота переменного напряжения преобразователя постоянного тока в переменный ток будет достаточно высокой, от десятков Гц до нескольких кГц, в зависимости от используемого материала контактов и свойств солевого раствора, проникающего между контактами, электролиз был бы предотвращен (см. D. Pheifer, W. B. Powell:"Introduction The Electrolytic Tilt Sensor", available from the internet at http://archives.sensorsmag.com/articles/0500/120/index.htm). Следовательно, изобретение решает проблему электролиза и образования газов в контактах разъема между сменной аккумуляторной батареей и электронным устройством, получающим питание от аккумуляторной батареи, когда разъем применяют во влажной среде, например, в имплантате, в котором влага может проникать между контактами разъема. В случае необходимости, преобразователь постоянного тока в переменный ток может быть помещен на той же микросхеме, которую обычно размешают в (перезаряжаемых) аккумуляторных батареях для предотвращения глубокого разряда, отслеживания токов короткого замыкания и т.д.
В дальнейшем различные реализации представленной выше концепции будут описаны для имплантата, в котором предполагается, что электронное устройство требует напряжения постоянного тока. С этой целью, к электронному устройству имплантата будет добавлен преобразователь переменного тока в постоянный ток (выпрямитель). Кроме того, требуется учитывать следующие аспекты:
- цепь передачи энергии должна иметь высокий кпд, и требуемое электронное устройство должно иметь небольшой объем (имплантат!) и должно быть надежным и безопасным, даже когда влага попадает в разъем между аккумуляторной батареей и электронным устройством имплантата;
- ток утечки через солевой раствор снижает кпд передачи энергии. Этот эффект можно свести к минимуму с помощью соответствующей механической конструкции (гидрофобные материалы, непроводящие биологически совместимые наполнители и обеспечивающие пропуск влаги только на узких коротких участках) и циклическая работа при передаче энергии (то есть, импульсная передача энергии);
- преобразование из постоянного в переменный ток проще всего может быть воплощено путем прерывания напряжения постоянного тока аккумуляторной батареи с помощью мостового силового каскада и применения (синхронного) двухполупериодного выпрямителя для преобразования его обратно в постоянный ток;
- безопасность улучшается в результате вставки разделительного конденсатора в цепь передачи энергии, поскольку он предотвращает появление напряжения постоянного тока на разъеме, например, в случае неисправности преобразователя постоянного тока в переменный ток. Резервные контакты помогают улучшить надежность разъема;
- наибольший компонент в цепи передачи энергии представляет собой разделительный конденсатор, и, в меньшей степени, накопительный конденсатор в выпрямителе. Более высокая частота импульсной передачи энергии приводит к уменьшению их размеров.
Фиг.1 схематично изображает электронное устройство I, например имплантат, такой как система глубокой стимуляции мозга (DBS), в соответствии с настоящим изобретением. Имплантат I содержит «модуль подачи питания» SM с аккумуляторной батареей B, которая предоставляет напряжение Vb постоянного тока через (малое) внутреннее сопротивление Rb (аккумуляторной батареи), в котором модуль подачи питания герметично изолирован от окружающей среды. Аккумуляторная батарея B может представлять собой сменную аккумуляторную батарею. В соответствии с изобретением, напряжение постоянного тока батареи B преобразуется в напряжение переменного тока с помощью мостового силового каскада, содержащего четыре транзистора M1-M4. Получаемое в результате напряжение переменного тока подается на два выходных контакта ТО1 и TO2 питания модуля SM подачи питания. На выходных контактах чередуется противоположная полярность Vb+ и Vb- между приблизительно землей и напряжением Vb аккумуляторной батареи.
Модуль подачи питания выполнен таким образом, что его можно использовать в электронном устройстве, и его можно заменять, как целый модуль, если это становится необходимым. Обычно это может происходить, когда истекает срок службы установленной аккумуляторной батареи B. Модуль подачи питания можно рассматривать, как отдельный компонент относительно электронного устройства. Модуль подачи питания герметично изолирован и может противостоять воздействию окружающей среды внутри электронного устройства, в котором будет помещен модуль подачи питания. Модуль подачи питания, в случае необходимости, может быть оборудован первым "компонентом разъема" (например, гнездом или штекером), выполненным с возможностью формирования с совместимым вторым "компонентом разъема" разъема для обратимого соединения выходных контактов питания с соответствующими контактами. Такой второй "компонент разъема" затем предусмотрен внутри электронного устройства таким образом, что модуль подачи питания может быть помещен в электронное устройство, и первый компонент разъема и второй компонент разъема формируют соединение, через которое энергия подается в схемы электронного устройства.
Транзисторами M1-M4 управляют с помощью генератора G (не показан на фиг.1). Генератор G отдельно показан на фиг.4 вместе с примерными управляющими напряжениями VP1, VN1, VP2, VN2 для транзисторов. На фиг.1, транзисторы М1 и M2 представляют собой транзисторы типа NMOS (МОП-транзистор n-типа), которые проводят, когда их потенциал VN1 или VN2 затвора, соответственно, является "высоким" (то есть, больше, чем их пороговое напряжение; обычно затворы переключаются между 0 и напряжением Vb батареи). Транзисторы M3 и M4 являются транзисторами PMOS (МОП-транзистор p-типа), которые проводят, когда их потенциал VP1 и VP2 затвора, соответственно, является "низким" (то есть, обычно соединен с землей). Управление транзисторами может, например, осуществляться в следующей последовательности "высокого" (H) и "низкого" (L) напряжений: (VP1, VN1; VP2, VN2)=(H, H; L, L), (L, L; H, H) и т.д.
На фиг.4, показана другая последовательность, в которой управляющие напряжения генерируются с не перекрывающими друг друга тактовыми сигналами, для предотвращения токов короткого замыкания в мостовом силовом каскаде. В этом случае существуют короткие периоды, когда все транзисторы не проводят. Соответствующая последовательность напряжений представляет собой (где H', L' обозначают "высокий" и "низкий" уровни напряжений, когда все транзисторы не проводят): (VP1, VN1; VP2, VN2)=(H, H; L, L), (H', L'; H', L'), (L, L, H, H), (H', L', H', L')
Имплантат I дополнительно содержит разъем C, в котором выходные контакты, T01, TO2 модуля SM подачи питания обратимо соединены с входными контактами TI1, TI2 питания, соответственно, "модуля потребителя" СМ.
Разъем C обычно не является идеально герметизированным и, следовательно, внутрь него может проникать (электропроводная) влага, которая приводит к возникновению тока утечки между контактами. Это представлено на фиг.2, сопротивлением Rlk утечки.
Если подаваемое с перерывами напряжение (Vb+, Vb-) аккумуляторной батареи будет симметричным (то есть иметь коэффициент заполнения 50%), его составляющая постоянного тока будет равна нулю. Если, кроме того, частота прерывания fChop=1/TChop будет установлена достаточно высокой (от десятков Гц до кГц), электролиз в контактах разъема, когда влага попадает в разъем, будет предотвращен.
Уже упомянутый модуль CM потребителя содержит преобразователь переменного тока в постоянный ток с мостом, содержащим четыре диода D1-D4 и накопительным конденсатором Ch. Диодный мост выпрямляет напряжение переменного тока, подаваемое от входных контактов TI1, TI2 питания. Может быть установлен накопительный конденсатор Ch с малой емкостью, поскольку он должен только подавать энергию в электронное устройство в переходные моменты при переключениях, когда (синхронный) выпрямитель не подает какую-либо энергию. Таким образом, практически нет необходимости жертвовать ценным объемом имплантата.
Выходное напряжение постоянного тока диодного выпрямителя D1-D4 дополнительно подают в потребляющие энергию электронные схемы EC, в которых реализуется присущая функция имплантата (например, запрограммированная подача стимулирующих импульсов в ткань нерва). Рассеиваемая энергия электронных схем EC электронного устройства имплантата моделируется с помощью резистора Re с напряжением (Ve+, Ve-) на нем.
Падение напряжения на диодном мосту D1-D4 становится существенным при низких значениях напряжения Vb аккумуляторной батереи. В этом случае можно применить (двухполупериодный) синхронный выпрямитель с намного меньшим падением напряжения, для улучшения общего энергетического кпд. Такой выпрямитель, по существу, может быть описан, как содержащий дополнительный транзистор, включенный параллельно каждому диоду, который включается, когда ток начинает протекать через диод (см. М. Я. Mihaiu: " Toward the 'Ideal Diode' using power MOSFET in full wave synchronous rectifiers for low voltage power supplies", SPEEDAM 2008, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion).
Когда биологическая жидкость (физиологический раствор) попадает в разъем C, (переменные) токи утечки начинают протекать между контактами разъема, что представлено сопротивлением Rlk утечки на фиг.2. Это представляет собой дополнительную нагрузку для аккумуляторной батареи B, и, поэтому, ухудшается кпд передачи энергии.
Упомянутые выше эффекты могут быть сведены к минимуму с помощью соответствующей механической конструкции разъема (гидрофобные материалы, непроводящие электричество биологически совместимые наполнители и обеспечение попадания влаги только на узких коротких участках) для увеличения значения сопротивления Rlk утечки.
В другом подходе потери из-за утечки уменьшают электронным образом, благодаря циклической работе при передаче энергии. Это будет описано ниже со ссылкой на фиг.5, на которой изображается типичное выходное напряжение, возникающее на выходном разъеме T01 питания схемы по фиг.2 в "импульсном режиме работы" генератора G. Упомянутое выходное напряжение содержит последовательность прямоугольных импульсов, которые повторяются с частотой l/TChop. Последовательность импульсов обеспечивается во время фазы заряда Tch, после которой следует фаза неактивности, на которой мостовой силовой каскад не переключают (например, силовой каскад может быть установлен в состоянии, в котором выходные контакты T01, TO2 питания не соединены ни с аккумуляторной батареей B, ни с землей (то есть все транзисторы являются непроводящими), выходные контакты T01, TO2 оба соединены с землей, или оба соединены с аккумуляторной батареей B). После истечения длительности одного периода Tp передачи энергии, следует новая последовательность импульсов заряда.
Следует отметить, что импульсы каждого периода заряда на фиг.5 представлены с экспоненциальным ростом. Это связано с тем, что во время периода заряда, ток заряда накопительного конденсатора изменяется экспоненциально с течением времени, и каждый раз, когда выходной контакт T01 соединяется с аккумуляторной батареей (то есть транзистор M4 проводит), такой экспоненциально затухающий ток приводит к тому, что происходит экспоненциальное изменение напряжения на внутреннем сопротивлении Rb аккумуляторной батареи B и выходном сопротивлении транзистора M4. Следовательно, импульсы показывают экспоненциальный рост до напряжения Vb аккумуляторной батареи.
Кроме того, следует отметить, что начало системы координат на фиг.5 соответствует обозначенному на фиг.4 (поскольку VP2 и VN2 являются "высокими" непосредственно после t=0, Vb+ контакт на фиг.5 начинает с состояния "низкое/заземленное").
Накопительный конденсатор Ch в модуле CM потребителя может быть очень быстро заряжен с небольшой постоянной τCh времени в то время как накопительный конденсатор разряжается электронной схемой EC с намного большей постоянной τe времени (ReCh). Таким образом, период Tchop прерывания может быть принят равным нескольким постоянным τCh времени заряда, и после нескольких периодов прерывания, в течение времени TCh≥Tchop, накопительный конденсатор Ch будет полностью заряжен (поскольку это занимает приблизительно 5 постоянных времени заряда).
Следует отметить, что период Tchop прерывания также может быть выбран меньшим, чем одна постоянная τCh времени (что может произойти при высокой частоте прерываний), и в этом случае накопительный конденсатор Ch только незначительно будет заряжен в течение каждого периода прерываний. Однако, если активное время TCh заряда выбрано достаточно длительным, то есть, при достаточном количестве постоянных τCh времени, накопительный конденсатор, все еще будет полностью заряжен. Таким образом, период прерывания может быть выбран независимо от постоянной τCh времени.
Для оставшейся фазы неактивности периода Tp передачи энергии, все переключатели M1-M4 мостового преобразователя постоянного тока в переменный ток могут быть оставлены разомкнутыми, или выходные контакты аккумуляторной батареи могут быть заземлены (через М1 и M2). Следует отметить, что, если контакты будут заземлены, ток не будет протекать через диодный выпрямитель; однако, если применяют выпрямитель другого типа, должны быть выполнены меры предосторожности для предотвращения короткого замыкания накопительного конденсатора.
Таким образом, период Tp передачи энергии предпочтительно должен быть выбран намного большим, чем активное время Tch заряда (часто несколько периодов TChop прерывания для каждой из нескольких постоянных τCh времени заряда), но также намного меньше, чем постоянная τe времени разряда, то есть Tch<<Tp<<τe.
В противном случае прирост кпд будет снова потерян из-за пульсации напряжения на накопительном конденсаторе Ch, что также очевидно с учетом кпд η передачи мощности в соответствии с (Rleak=Rlk)
где Tch/Tp представляет собой длительность периода нагрузки. Здесь предполагается идеальный выпрямитель, то есть нулевое падение напряжения.
Если требуется только предотвратить электролиз без применения какой-либо циклической работы (например, для уменьшения эффекта тока утечки), частоту прерываний обычно выбирают в диапазоне от десятков Гц до нескольких кГц. Однако, когда применяют циклическую работу, накопительный конденсатор будет единственным источником энергии для "модуля потребителя" при остановке прерывания. Если поддерживать частоту прерывания низкой (например, 100 Гц, как без циклической работы) и также соответствовать условию TCh<<Tp (для уменьшения влияния тока утечки на кпд), потребуется использовать достаточно большой накопительный конденсатор Ch.
Чтобы исключить это, можно, например, уменьшить время Tp передачи энергии до приблизительно 100 мкс, выбрать активное время TCh заряда, равным 10 мкс (предполагая, что этого достаточно для полного перезаряда накопительного конденсатора), и принять частоту прерывания, например, 200 кГц (в результате чего период двух прерываний попадает в активное время заряда). После этого можно будет уменьшить величину накопительного конденсатора и его размеры, поскольку он будет более часто перезаряжаться.
В случае неисправности электронной части, может случиться, что напряжение постоянного тока батареи появится на контактах разъема и начнется электролитическая реакция. Этот режим неисправности может быть уменьшен путем установки разделительного конденсатора Cb в один из выходных контактов прерываемого напряжения аккумуляторной батареи, как показано на фиг.3. Без циклической работы, то есть, без импульсной передачи энергии, коэффициент M преобразования между напряжением Vb аккумуляторной батареи и (средним) напряжением Ve питания для электронного устройства в данном случае будет определен следующей формулой
где скорость разряда в электронном устройстве будет теперь определена как τbe (Re[Ch||Cb]). Наибольшее выходное напряжение достигается без накопительного конденсатора Ch, поскольку заряд этого конденсатора требует энергии, в результате чего получается более низкое напряжение питания для электронного устройства.
Коэффициент полезного действия преобразователя для идеального выпрямителя может быть вычислен по следующей формуле:
что показывает, что без накопительного конденсатора достигается наибольший коэффициент полезного действия. Таким образом, разделительный конденсатор эффективно заменяет накопительный конденсатор. Следует отметить, что накопительный конденсатор малой емкости, все еще необходим, для подачи энергии в электронное устройство во время переходных моментов времени при переключениях.
Циклическая работа может также применяться для уменьшения эффекта токов утечки, хотя схема ведет себя по-другому, когда устанавливается разделительный конденсатор. Например, все транзисторы мостового силового каскада должны быть переведены в непроводящее состояние (то есть, транзисторные переключатели полностью "разомкнуты") после периода Tch прерываний для остальной части периода Tp передачи энергии, для предотвращения протекания тока в разъеме. Хотя заземление выходов мостового силового каскада (то есть, включение М1 и M2 и выключение M3 и M4) можно применять, когда разделительный конденсатор отсутствует (как в схеме на фиг.2), заземление приводит к протеканию тока (разряда) в разъеме, когда разделительный конденсатор присутствует (как на схеме на фиг.3). Таким образом, разделительный конденсатор не может действовать, как накопительный конденсатор в импульсном режиме подачи питания, и накопительный конденсатор снова должен выполнять эту роль.
Изобретение предпочтительно можно применяться в имплантате, например, в системе глубокой стимуляции мозга, в котором может быть допустимо проникновение влаги (практически неизбежное, во время хирургической операции), и безопасное соединение (то есть, отсутствие риска электролиза) должно быть установлено между батареей и электронным устройством (оба герметично упакованы) с тем, чтобы обеспечить возможность замены аккумуляторной батареи. Кроме того, его можно применять во множестве других ситуаций и устройств, в которых преобладают аналогичные условия и требования, в частности, в изделиях, которые используют во влажной среде (например, вне жилых помещений, в ванных комнатах, в бассейнах и т.д.).
И, наконец, следует отметить, что в настоящем описании термин "содержащий" не исключает присутствие других элементов или этапов, что единственное число не исключают множественного числа, и что один процессор или другой модуль могут выполнять функции нескольких средств. Изобретение состоит в каждом новом отличительном признаке и в каждой комбинации отличительных признаков. Кроме того, номера ссылочных позиций в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничение ее объема.
1. Электронное устройство (I), содержащее:
a) модуль (SM) подачи питания с источником (B) питания постоянного тока и выходными контактами (TO1, TO2) питания;
b) модуль (CM) потребителя с входными контактами (TI1, TI2) питания, промежуточным накопителем (Ch) энергии и потребляющими энергию электронными схемами (EC);
c) разъем (C), соединяющий с возможностью отсоединения соответствующие выходные контакты (TO1, TO2) питания и входные контакты (TI1, TI2) питания;
d) преобразователь (М1-М4) постоянного тока в переменный ток, который расположен между источником (B) питания постоянного тока и выходными контактами (TO1, TO2) питания,
при этом
преобразователь (М1-М4) постоянного тока в переменный ток имеет импульсный режим работы с импульсной активностью и
периоды активности являются достаточно длительными, чтобы в достаточной степени зарядить промежуточный накопитель (Ch) энергии в модуле (CM) потребителя.
2. Устройство (I) по п. 1, отличающееся тем, что источник питания постоянного тока представляет собой аккумуляторную батарею (B).
3. Устройство (I) по п. 1, отличающееся тем, что модуль (SM) подачи питания и/или модуль (CM) потребителя герметизированы за исключением соединенных выходных контактов (TO1, TO2) питания или входных контактов (TI1, TI2) питания соответственно.
4. Устройство (I) по п. 1, отличающееся тем, что разделительный конденсатор (Cb) расположен между преобразователем (М1-М4) постоянного тока в переменный ток и одним выходным контактом (TO1) питания.
5. Устройство (I) по п. 1, отличающееся тем, что частота выходного напряжения переменного тока преобразователя (М1-М4) постоянного тока в переменный ток находится в диапазоне между 1 Гц и 1 МГц.
6. Устройство (I) по п. 1, отличающееся тем, что устройство (I) содержит преобразователь (D1-D4) переменного тока в постоянный ток, который расположен между входными контактами (TI1, TI2) питания и потребляющими энергию электронными схемами (ЕС).
7. Устройство (I) по п. 6, отличающееся тем, что содержит накопитель (Ch), который соединяет выходы преобразователя (D1-D4) переменного тока в постоянный ток.
8. Устройство (I) по п. 1, отличающееся тем, что преобразователь (М1-М4) постоянного тока в переменный ток обеспечивает, по существу, выходное напряжение прямоугольной формы волны.
9. Устройство (I) по п. 1, отличающееся тем, что разъем (С) содержит гидрофобные материалы, резервные контакты и/или, по существу, не имеет пустот в соединенном состоянии.
10. Устройство (I) по п. 1, отличающееся тем, что устройство представляет собой имплантируемое устройство (I), в частности систему глубокой стимуляции мозга, хирургический инструмент или проглатываемое электронное изделие.
11. Устройство (I) по п. 1, отличающееся тем, что устройство (I) представляет собой изделие бытовой электроники, в частности мультимедийный проигрыватель или устройство записи, сотовый телефон, калькулятор, оборудование для трубопроводов, бритву, измерительное устройство, оборудование, используемое водолазами, или инструмент.
12. Способ передачи электроэнергии
от модуля (SM) подачи питания с источником (B) питания постоянного тока и выходными контактами (TO1, TO2) питания
в модуль (CM) потребителя с входными контактами (TI1, TI2) питания, промежуточным накопителем (Ch) энергии и потребляющими энергию электронными схемами (EC),
через разъем (C) для соединения с возможностью разъединения соответствующих выходных контактов (TO1, TO2) питания и входных контактов (TI1, TI2) питания,
содержащий этапы, на которых:
a) преобразуют напряжение постоянного тока, обеспечиваемое источником (B) питания постоянного тока, в напряжение переменного тока с помощью преобразователя (М1-М4) постоянного тока в переменный ток;
b) обеспечивают упомянутое напряжение переменного тока на выходных контактах (TO1, TO2) питания с импульсной активностью, причем периоды активности являются достаточно длительными, чтобы в достаточной степени зарядить промежуточный накопитель (Ch) энергии в модуле (CM) потребителя.
13. Модуль (SM) подачи питания, обеспечивающий подачу импульсного напряжения переменного тока, содержащий:
a) источник (В) питания постоянного тока;
b) выходные контакты (TO1, TO2) питания; и
c) преобразователь (М1-М4) постоянного тока в переменный ток, который расположен между источником (B) питания постоянного тока и выходными контактами (TO1, TO2) питания,
при этом преобразователь (М1-М4) постоянного тока в переменный ток имеет импульсный режим работы с импульсной активностью.
14. Модуль (SM) подачи питания по п. 13, отличающийся тем, что указанный модуль (SM) сконфигурирован для подачи импульсного напряжения переменного тока на модуль (CM) потребителя, содержащий промежуточный накопитель (Ch) энергии, при этом периоды активности указанного модуля (SM) подачи питания достаточно длинные, чтобы зарядить промежуточный накопитель (Ch) энергии в модуле (CM) потребителя.
