稳流电源的制作方法

稳流电源
1.相关申请的交叉引用
2.本申请要求于2018年7月25日提交的标题为“constant-current power supply system”的美国临时专利申请序列号62/703,244和于2018年7月25日与前述申请同时提交的标题为“burst mode constant-current power supply system”的美国临时专利申请序列号62/703,256的利益，这两个临时专利申请的提交优先权特此被主张。
3.领域
4.本发明涉及基于稳定电流源(regulated current source)的电力设备和系统。
5.背景
6.诸如电池和电源干线出口(main outlets)的电源一般提供在某些情况下可以直接被应用的稳定电压(regulated voltage)。相反，一般具有广泛变化的电阻的生物和类似负载常常需要稳定电流(regulated current)。
7.图1是稳定电流源100的简单常规配置的框图。主电能量源105供应相对于局部(底盘)接地107测量的电压v
in
，该电压v
in
连接到升压器110的输入端111以在电力输出点112处提供更高的电压v
out 108。v
out 108连接到输出端子135，输出端子135连接到具有可变电阻r
var
的外部负载150的一个引线。稳定电流源100的另一输出端子130连接到外部负载150的另一引线。期望将稳定电流i
load 140驱动通过外部负载150。因此，输出端子130连接到电流调节器120，该电流调节器120通过自动改变其内电阻而被调整以使稳定电流i
load 140通过。作为结果，变化的调节器电压降v
reg
145在电流调节器120两端出现，变化的调节器电压降v
reg 145随着r
var
值的变化而变化。
8.如所公知的，诸如电流源100的配置是非常低效的，因为电流调节器120消耗功率p＝v
reg
*i
load
，其是被浪费的，因为该功率没有被外部负载150所利用。
9.已知的电源干线恒流电源集成电流调节器，其中反馈用于启动诸如脉宽调制(pwm)的机制。几个布置基于这种技术，但是没有一个布置提供具有单独电流调节器的单独升压器(和/或调节器)。
10.因此，使更有效的稳定电流源利用升高的电压是合乎需要的，该稳定电流源仍然保持电流源100的简单性和可靠性。这个目标通过本发明的实施例来实现。
11.应用
12.施加稳定电流(诸如由本发明的实施例提供的稳定电流)在各种治疗场景中的医学和生物应用中是特别有用的。特定的治疗区域包括但不限于：
13.肌与骨骼、皮肤和软组织问题：
14.急性和亚急性的脊骨疼痛，包括椎间盘性、肌筋膜、韧带或小平面关节疼痛；
15.骨盆疼痛；
16.胸廓出口综合征；
17.急性和/或慢性的四肢关节疼痛；
18.骨关节炎、类风湿性关节炎、滑囊炎；
19.急性和/或慢性的痛风；
20.触发点疼痛；
21.急性和/或慢性的损伤，包括软组织损伤；
22.运动后肌肉酸痛；
23.伴有新疼痛或慢性疼痛的骨折；
24.肌筋膜疼痛，包括关节退行性变和/或脊骨/椎间盘问题；
25.皮肤伤口愈合、过敏反应；
26.锻炼恢复、镇静或表现；
27.淋巴水肿；
28.肌肉减少症；
29.皮肤皮下脂肪和/或皱纹减少；
30.电针刺；
31.神经学：大脑和中枢神经系统问题：
32.三叉神经痛；
33.神经根病；
34.神经瘤；
35.纤维肌痛；
36.丘脑疼痛；
37.带状疱疹：病变疼痛的减少；
38.ptsd(创伤后精神紧张性精神障碍)改善；
39.疱疹后神经痛；
40.周围神经病；
41.伴有脑震荡和/或脑雾的脑损伤；
42.脑垂体、后脑、中脑或髓质的亚急性损伤；
43.抑郁；
44.放松和/或睡眠问题；
45.腕管综合征；
46.帕金森氏病；
47.阿片成瘾：预防和禁断症状减少；
48.内部器官问题：
49.关于毒性、肝炎、纤维化的肝脏问题；
50.胰腺支持和抗胰岛素性；
51.涉及胃、食道、胆囊、小肠/大肠(包括便秘)的gi问题；
52.肾脏支持，包括肾结石问题；
53.肺支持、支气管炎；
54.输尿管粘连；
55.肾上腺支持；
56.子宫出血、纤维瘤问题；
57.冷/窦；
58.全身炎症。
59.概述
60.本发明的实施例提供了与受控升压器及对其的控制器耦合的稳定电流源。控制器感测负载电阻的变化，并响应于此而调整升压器的操作参数，其结果是在减少功率消耗的情况下提高效率。
61.因此，根据本发明的实施例，公开了一种用于向电阻负载提供稳定电流的稳定电流源设备，该稳定电流源包括：(a)提供输入电压的主电能量源；(b)升压器，其接收输入电压并从电力输出点提供可调电压，其中可调电压是经由在升压器的控制点处的控制信号可控制的；(c)电流调节器，其根据预定稳定负载电流来调节通过电阻负载的电流；以及(d)控制器，其用于测量在电流调节器两端的电压降，并用于根据该电压降经由控制点来控制升压器。
62.此外，根据本发明的另一实施例，公开了一种用于向电阻负载提供稳定电流的方法，该方法包括：(a)初始化电流调节器以使预定负载电流通过电阻负载；(b)初始化升压器以向电阻负载输出初始输出电压，其中升压器从主电能量源接收输入电压，其中升压器输出电压是根据控制信号可控制的，并且其中初始化包括向升压器发送第一控制信号；(c)测量在电流调节器两端的电压降以获得电流调节器电压降测量值；(d)将电流调节器电压降测量值与预定上限阈值进行比较；以及(e)如果电流调节器电压降测量值大于上限阈值，则向升压器发送第二控制信号以向电阻负载输出降低的输出电压，其中降低的输出电压等于输出电压减去增量输出电压变化值；(f)将电流调节器电压降测量值与预定下限阈值进行比较；以及(g)如果电流调节器电压降测量值小于下限阈值，则向升压器发送第三控制信号以输出增加的输出电压，其中增加的输出电压等于输出电压加上增量输出电压变化值。
63.附图简述
64.当下面的详细描述与附图一起被阅读时，所公开的主题可通过参考下面的详细描述被最好地理解，其中：
65.图1是稳定电流源的常规配置的框图。
66.图2a是根据本发明的实施例的稳定电流源的框图。
67.图2b是根据与图2a的稳定电流源相关的实施例的稳定电流源的框图。
68.图2c是根据本发明的与图2b的稳定电流源相关的另一实施例的稳定电流源的框图。
69.图3是根据本发明的另一实施例的用于提供稳定电流的方法的流程图。
70.为了说明的简单和清楚，附图中所示的元件不一定按比例绘制，且一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大。此外，可以在附图当中重复参考数字以指示相应或类似的元件。
71.详细描述
72.图2a是根据本发明的实施例的稳定电流源200a的框图。主电能量源205供应相对于局部(底盘)接地207测量的输入电压v
in
，输入电压v
in
连接到升压器210的输入端211以在电力输出点212处提供可调电压v
out
208。特别地，电压v
out
可以大于电压v
in
。v
out 208连接到输出端子235，输出端子235连接到具有可变电阻r
var
的外部电阻负载250的一个引线。稳定电流源200a的另一个输出端子230连接到外部负载250的另一个引线。期望将稳定电流i
load 240驱动通过外部负载250。因此，输出端子230连接到电流调节器220，该电流调节器220通
过自动改变其内电阻来被调整以使预定稳定负载电流i
load 240通过。作为结果，变化的调节器电压降v
reg 245出现在电流调节器220两端，变化的调节器电压降v
reg 245随着r
var
的值的变化而变化。
73.根据该实施例，控制器225感测v
reg 245，并向升压器210的控制点213输出控制信号，根据该控制信号，升压器210调整输出电压v
out 208。
74.控制器225根据参数集260来调整输出电压208，参数集260包括：
75.初始输出电压值v
out-init 262；
76.输出电压值的增量变化δv 264；
77.第一调节器电压降阈值v
reg-thresh-lower 266；以及
78.第二调节器电压降阈值v
reg-thresh-upper 268，使得：
79.v
reg-thresh-lower
<v
reg-thresh-upper
。
80.控制器225根据如在下面关于图3所示的方法的讨论中公开的过程利用参数集260来执行输出电压208的调整。
81.总之，本发明的相关实施例如下提供控制：升压器210供应电压v
out
208，电压v
out 208最初由控制器225(经由控制点213)设置为v
out-init 262，以用于驱动期望电流i
load 240通过外部负载r
var 250。通过外部负载r
var 250的电流由电流调节器220限制到i
load 240。控制器225持续地监测电压降v
reg 245，并且如果v
reg 245超过阈值v
reg-thresh-upper 268，则这被视为指示过多功率正被电流调节器220消耗以及电流源200a在低效地操作。作为响应，控制器225用信号通知升压器210以输出降低的电压v
out-δv
out
，其又导致电压降v
reg 245的降低，并因而导致所消耗的功率的降低。v
reg 245的感测被持续地重复，并且如果v
reg 245仍然超过阈值v
reg-thresh-upper 268，则v
out
到v
out-δv
out
的降低被重复，直到v
reg 245不再超过阈值v
reg-thresh-upper 268为止。
82.如果外部负载电阻r
var 250增加，例如导致电压降v
reg 245降低到低于阈值v
reg-thresh-lower 266的值，则控制器225用信号通知升压器210(再次经由控制点213)以输出增加的电压v
out
+δv。当v
reg 245的感测继续进行时，如果v
reg 245仍然低于阈值v
reg-thresh-lower 266，则v
out
到v
out
+δv
out
的增加被重复，直到v
reg 245不再低于阈值v
reg-thresh-lower 266为止。如果v
reg 245既不低于v
reg-thresh-lower 266，也不高于v
reg-thresh-upper 268，则不对v
out
做出变化。
83.应当理解，上述实施例及其描述是说明性的而非限制性的，并且其他实施例提供附加的电压控制方案。
84.图2b是根据本发明的相关实施例的稳定电流源200b的框图。该相关实施例的功能特征是，它采用具有分别对应于图2a中的参数集260的值的v
out-init 272、v
reg-thresh-lower 276和v
reg-thresh-upper 278的参数集270。然而，在电流源200b的这个相关实施例中，δv
out 274被设置为v
out-init
，使得当从初始值降低输出电压时，输出电压将降低至0伏(v
init-δv
out
＝0)；并且当从0伏增加输出电压时，输出电压将恢复到其初始值(0+δv
out
＝v
out-init
)。也就是说，电流源200b在“突发模式”中操作，其中电压由升压器210间歇地供应到外部负载。
85.为了有通过外部负载r
var
的电流的连续性，在输出端子235和局部接地207之间的电容器c 280在升压器210输出v
out-init 272时存储电荷，并在升压器210输出0伏(v
out-init-δv)时放电。可选的二极管282确保当升压器210输出零伏时电容器c 280通过外部负载r
var
放电。在升压器210以浮动电力输出点212为特征的情况下，二极管282是不需要的。此外，电容器c 280是可选的，并且在升压器210以浮动电容稳定的电力输出点为特征的情况下是不需要的。
86.图2b的配置由于下面的事实而提供效率的提高：在放电期间由电容器c 280供应的电压固有地降低并且小于v
out-init 272，并且因此导致减少的功率消耗。
87.图2c是根据本发明的另一相关实施例的稳定电流源200c的框图。稳定电流源200c与电流源200b(图2b)一样也在“突发模式”中操作，但是不是利用修改的参数集(如图2b的参数集270)，电流源200c经由升压器210的关闭点215在“突发模式”中操作。关闭点215与控制点213分离且不同。在关闭信号被施加到关闭点215的时间期间，升压器210停止操作，并在电力输出点212处提供零伏。当关闭信号被移除时，升压器210根据在控制点213处的信号重新开始在电力输出点212处提供电压。关于电容器c 280和二极管282的上述评论也适用于稳定电流源200c。
88.图3是根据本发明的实施例的用于提供稳定电流的方法300的流程图。在相关实施例中，方法300由稳定电流源200a(图2a)的控制器225执行。
89.在初始化步骤310中，电流调节器(例如图2a的电流调节器220)被设置为使期望的外部负载电流i
load
通过，并且升压器(例如图2a的升压器210)被设置为以电压v
out-init 262输出电压v
out 208。然后，在调节循环开始点320之后，在步骤321中测量在电流调节器两端的电压降v
reg
。在判定点322处，将v
reg
的测量值与v
reg-thresh-upper 268进行比较，并且如果v
reg
大于v
reg-thresh-upper 268，则在步骤323中将电压v
out 208设置为v
out-δv。
90.另一方面，如果v
reg
不大于v
reg-thresh-upper 268，则该方法继续判定点324，其中v
reg
的测量值与v
reg-thresh-lower 266比较。如果v
reg
低于v
reg-thresh-upper 268，则在步骤325中电压v
out 208被设置为v
out
+δv。
91.如果v
reg
既不高于v
reg-thresh-upper
也不低于v
reg-thresh-lower
，则不对v
out
做出变化，并且循环继续监测v
reg
。
92.在判定点322和/或324被通过之后，在调节循环结束点330，控制回传到调节循环开始点320，并且执行继续。