一种脉冲电路及控制方法与流程

1.本发明涉及脉冲产生电路技术领域，尤其涉及一种脉冲电路及控制方法。


背景技术：

2.传统的起搏器类脉冲产生电路大多采用数模转换器、电荷泵电路或者他们之间的组合来产生可配置充电电压，采用mos管和电阻的组合电路负责极性切换和刺激脉冲输出，存在输出效率低下，元器件数量过多，占用面积过大的缺点。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种脉冲电路及控制方法。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.本发明提供一种脉冲电路，该电路包括：电源模块、主控电路、脉冲发生电路、电压钳位电路和电流限制电路；其中：
6.电源模块包括电池、dc/dc降压电路、rc充电电路和电压切换电路，电池分别与主控电路、dc/dc降压电路相连；主控电路分别与电源模块中的dc/dc降压电路、rc充电电路、电压切换电路相连，且rc充电电路设置在主控电路和电压切换电路之间；主控电路的另一端依次通过脉冲发生电路、电压钳位电路、电流限制电路后与人体相连；脉冲发生电路中设置有三态电平转换芯片；
7.通过输出电压可调节的dc/dc降压电路、rc充电电路提供电压值范围可配置的充电电压，dc/dc降压电路用于实现高电压段脉冲的电压输出，rc充电电路用于实现低电压段脉冲电压输出；并通过脉冲发生电路中的三态电平转换芯片进行极性切换和刺激脉冲的发生。
8.进一步地，本发明的所述电源模块的具体电路结构为：
9.电源模块包括：dc/dc电源芯片、电容c1、电容c2、电容c3、电阻r1、电感l1、二极管diod1、负载开关以及与主控电路连接的端口d1、d2、d3、d4、d5、d6、adc1；其中：
10.电容c1的正极连接dc/dc电源芯片的vin脚，电容c1的负极接电源地，电感l1的一端连接dc/dc电源芯片的sw脚，电感l1的另一端连接电容c2的正极和dc/dc电源芯片的vout脚,电容c2的负极接电源地，dc/dc电源芯片的vout脚接负载开关的vin脚；电阻r1的一端连接端口d5，电阻r1另一端连接二极管diod1的p极，二极管diod1的n极连接电容c3的正极和负载开关的vout脚，电容c3的负极接电源地。
11.进一步地，本发明的所述脉冲发生电路的具体电路结构为：
12.脉冲发生电路包括：隔直电容c4、隔直电容c5、三态电平转换芯片u1、三态电平转换芯片u2、三态电平转换芯片u3、与主控电路连接的端口d7、d8、d9、d10、d11、d12；其中：
13.由电源模块生成的电压值范围可配置输入电压连接三态电平转换芯片u1、u2、u3的vin脚，三态电平转换芯片u1的vout脚连接隔直电容c4，隔直电容c4的另一端连接电流限
制芯片的vin1脚，三态电平转换芯片u2的vout脚连接隔直电容c5，隔直电容c5的另一端连接电流限制芯片的vin2脚，三态电平转换芯片u3的vout脚连接起搏器外壳。
14.进一步地，本发明的所述电压钳位电路的具体电路结构为：
15.电压钳位电路包括：tvs二极管tvs1、tvs二极管tvs2、tvs二极管tvs3；其中：
16.tvs二极管tvs1的n极连接三态电平转换芯片u1的vout脚，p极接电源地；tvs二极管tvs2的n极连接三态电平转换芯片u2的vout脚，p极接电源地；tvs二极管tvs3的n极连接三态电平转换芯片u3的vout脚，p极接电源地；
17.当人体触电、电刀手术、除颤、核磁时，三态电平转换芯片输出端会产生高压，当电压超过一定阈值时，tvs二极管反向导通，用于防止三态电平转换芯片输出端过压损坏。
18.进一步地，本发明的所述电流限制电路的具体电路结构为：
19.电流限制电路由专用电流限制芯片构成，电流限制芯片vin1脚连接隔直电容c4，隔直电容c4另一端连接三态电平转换芯片u1，电流限制芯片vout1脚连接电极正极，电流限制芯片vin2脚连接隔直电容c5，隔直电容c5另一端连接三态电平转换芯片u2，电流限制芯片vout2脚连接电极负极；电流限制芯片的vin1、vout1与vin2、vout2之间完全隔离。
20.本发明提供一种脉冲电路的控制方法，该方法包括以下步骤：
21.步骤1：主控电路根据设定脉冲电压选择是开启dc/dc降压电路还是rc充电电路；当需要输出0
‑
1.8v脉冲电压时，开启rc充电电路，关闭dc/dc降压电路，负载开关关闭，控制rc充电电路使输出电压为设定值；当需要输出1.8
‑
3.3v脉冲电压时，关闭rc充电电路，开启dc/dc降压电路，负载开关打开，控制dc/dc降压电路使输出电压为设定值；当需要输出3.6v
‑
6.6v脉冲电压时，关闭rc充电电路，开启dc/dc降压电路，负载开关打开，控制dc/dc降压电路使输出电压为设定值的一半；
22.步骤2：主控电路根据输出通道设置和极性设置配置三路三态电平转换芯片，将不用的通道设置为高阻态，将选定通道设置为脉冲输出正极或脉冲输出负极；
23.步骤3：主控电路根据设定脉冲电压选择采用无倍压工作模式或二倍压工作模式，当设定脉冲电压为0
‑
3.3v时，采用无倍压工作模式，当设定脉冲电压为3.6
‑
6.6v时，采用二倍压工作模式；
24.步骤4：主控电路按照预设流程控制三态电平转换芯片输出刺激脉冲。
25.进一步地，本发明的所述步骤1的具体方法为：
26.当需要产生0.8v
‑
1.8v可配置充电电压时，负载开关关闭，通过在每次脉冲发生后检测电容c3的电压，通过比例积分运算生成对c3进行充电的脉冲时间，实现对c3电压的闭环控制，产生0
‑
1.8v且步长为0.1v的可配置充电电压；
27.当需要产生1.8v
‑
3.3v可配置充电电压时，负载开关打开，通过配置dc\dc电源芯片的4位输入数字位，产生从1.8v到3.3v且步长为0.1v的可配置充电电压；
28.当需要产生3.6v
‑
6.6v可配置充电电压时，关闭rc充电电路，开启dc/dc降压电路，负载开关打开，控制dc/dc降压电路使输出电压为设定值的一半，产生从3.6v到6.6v且步长为0.1v的可配置充电电压。
29.进一步地，本发明的所述比例积分运算的具体控制方法为：
30.端口d5输出高电平，电压2.0v，端口d5通过电阻r1限流来给c3进行充电，c3上电压缓慢上升，此时测量端口adc1的电压，端口adc1的电压等于c3电压加上二极管diod1的压
降，二极管diod1采用的是低压降的肖特基二极管，压降为0.2v，端口adc1的电压减去0.2v即是c3电压：vc3＝vadc1
‑
0.2v；通过比例积分运算生成对c3进行充电的脉冲时间并延时该时间，之后端口d5输出低电平，充电停止，二极管diod1用来防止电流倒灌；
31.计算电容c3电压vc3与设定电压vset之间的差值，若vc3大于vset，充电流程结束；若vc3小于vset，计算充电脉冲时间tcharge＝tp+ti，其中tp＝p*(vset
‑
vc3)，p是比例系数，ti＝i*+ti’，i是积分系数，ti’是上个周期ti的值；
32.主控电路控制端口d5输出2.0v高电平，延时tcharge后，输出低电平，电容c3停止充电。
33.进一步地，本发明的所述步骤3的具体方法为：
34.主控电路通过控制端口d7、d8、d9、d10、d11、d12将三态电平转换芯片u1、u2、u3输出分别配置为0
‑
3.3v高电平、低电平和高阻态；当刺激脉冲仅产生于连接人体的两个电极之间或者连接人体的一个电极和起搏器外壳之间时，起搏器外壳或者另一电极设置为高阻态；当脉冲产生于两个电极之间时，c4、c5串联构成隔直电容；
[0035]0‑
3.3v可配置充电电压对隔直电容充电，用来产生0
‑
3.3v电源电压以内起搏脉冲，即无倍压；0
‑
3.3v可配置充电电压对电容充电，放电时电容另一端接可配置充电电压，用来产生二倍可配置充电电压的起搏脉冲，即二倍压。
[0036]
进一步地，本发明的所述步骤4的具体方法为：
[0037]
当电流小于50ma时，电流限制芯片的vin1和vout1之间电阻值小于一定阈值，对电路不产生影响；当电流大于50ma时，电流限制芯片的vin1和vout1之间电阻迅速增大，限制电路中流过的电流；电流限制芯片为无源器件，将最大电流限制在50ma,最大耐压850v，防止触电、电刀手术、除颤、核磁时流过电极电流过大导致组织纤维化损伤。
[0038]
本发明产生的有益效果是：脉冲电路及控制方法，电源模块利用dc/dc开关降压电路负责高电压段脉冲电压输出，rc充电电路负责低压段脉冲电压输出，通过负载开关和二极管进行电压切换。脉冲发生电路利用三态电平转换芯片取代分立mos管搭建的脉冲发生电路。本发明利用dc/dc开关降压电路负责高电压段脉冲电压输出，rc充电电路负责低压段脉冲电压输出，具有输出效率高、电压调节范围广、电压调节精度高的特点；利用三态电平转换芯片取代分立mos管搭建的开关电路，具有集成度高，输出极性和脉冲通道可自由切换的特点。
附图说明
[0039]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0040]
图1是本发明实施例的系统框图；
[0041]
图2是本发明实施例的电源模块电路图；
[0042]
图3是本发明实施例的闭环控制流程图；
[0043]
图4是本发明实施例的脉冲发生电路、电压钳位电路和电流限制电路的电路图；
[0044]
图中：1
‑
电池，2
‑
主控电路，3
‑
dc/dc降压电路，4
‑
rc充电电路，5
‑
电压切换电路，6
‑
脉冲发生电路，7
‑
电压钳位电路，8
‑
电流限制电路。
具体实施方式
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0046]
如图1所示，本发明实施例的脉冲电路，该电路包括：电源模块、主控电路、脉冲发生电路、电压钳位电路和电流限制电路；其中：
[0047]
电源模块包括电池、dc/dc降压电路、rc充电电路和电压切换电路，电池分别与主控电路、dc/dc降压电路相连；主控电路分别与电源模块中的dc/dc降压电路、rc充电电路、电压切换电路相连，且rc充电电路设置在主控电路和电压切换电路之间；主控电路的另一端依次通过脉冲发生电路、电压钳位电路、电流限制电路后与人体相连；脉冲发生电路中设置有三态电平转换芯片；
[0048]
通过输出电压可调节的dc/dc降压电路、rc充电电路提供电压值范围可配置的充电电压，dc/dc降压电路用于实现高电压段脉冲的电压输出，rc充电电路用于实现低电压段脉冲电压输出；并通过脉冲发生电路中的三态电平转换芯片进行极性切换和刺激脉冲的发生。
[0049]
如图2所示，电源模块中包括：dc/dc电源芯片、电容c1、电容c2、电容c3、电阻r1、电感l1、二极管diod1、负载开关以及与主控电路连接的端口d1、d2、d3、d4、d5、d6、adc1；其中：
[0050]
电容c1的正极连接dc/dc电源芯片的vin脚，电容c1的负极接电源地，电感l1的一端连接dc/dc电源芯片的sw脚，电感l1的另一端连接电容c2的正极和dc/dc电源芯片的vout脚,c2的负极接电源地，dc/dc电源芯片的vout脚接负载开关的vin脚；电阻r1的一端连接端口d5，电阻r1另一端连接二极管diod1的p极，二极管diod1的n极连接电容c3的正极和负载开关的vout脚，电容c3的负极接电源地。
[0051]
当需要产生1.8
‑
3.3v可配置充电电压时，负载开关打开，通过配置dc\dc电源芯片的4位输入数字位，可以产生从1.8v到3.3v且步长为0.1v的可配置充电电压。
[0052]
电源芯片输出电压设置如下表所示：
[0053][0054][0055]
当需要产生0.8
‑
1.8v可配置充电电压时，负载开关关闭，通过在每次脉冲发生后检测电容c3的电压，通过比例积分(pi)运算生成对c3进行充电的脉冲时间，实现对c3电压的闭环控制，可产生0
‑
1.8v且步长为0.1v的可配置充电电压。
[0056]
具体实施步骤如下：d5口输出高电平，电压2.0v，d5口通过电阻r1限流来给c3进行充电，c3上电压缓慢上升，此时测量adc1口的电压，adc1口的电压等于c3电压加上二极管
diod1的压降，diod1采用的是低压降的肖特基二极管，压降一般为0.2v，adc1口的电压减去0.2v即是c3电压；通过比例积分(pi)运算生成对c3进行充电的脉冲时间并延时该时间，之后d5口输出低电平，充电停止，二极管diod1用来防止电流倒灌。其具体流程图如图3所示。
[0057]
如图4所示，脉冲发生电路包括：隔直电容c4、隔直电容c5、三态电平转换芯片u1、三态电平转换芯片u2、三态电平转换芯片u3、与主控电路(2)连接的端口d7、d8、d9、d10、d11、d12；其中：
[0058]
由电源模块生成的0
‑
3.3v可配置输入电压连接三态电平转换芯片u1、u2、u3的vin脚，三态电平转换芯片u1的vout脚连接隔直电容c4，隔直电容c4的另一端连接电流限制芯片的vin1脚，三态电平转换芯片u2的vout脚连接隔直电容c5，隔直电容c5的另一端连接电流限制芯片的vin2脚，三态电平转换芯片u3的vout脚连接起搏器外壳。
[0059]
主控电路通过控制端口d7、d8、d9、d10、d11、d12可将三态电平转换芯片u1、u2、u3输出分别配置为0
‑
3.3v高电平、低电平和高阻态。当刺激脉冲仅产生于连接人体的两个电极之间或者连接人体的一个电极和起搏器外壳之间时，起搏器外壳或者另一电极可设置为高阻态。当脉冲产生于两个电极之间时，c4、c5串联构成隔直电容。
[0060]0‑
3.3v可配置充电电压对隔直电容充电，用来产生0
‑
3.3v电源电压以内起搏脉冲(无倍压)；0
‑
3.3v可配置充电电压对电容充电，放电时电容另一端接可配置充电电压，用来产生二倍可配置充电电压的起搏脉冲(二倍压)。
[0061]
无倍压脉冲输出时工作流程图(以电极正和机壳之间为例)：
[0062]
‑
u1输出低电平，u3输出低电平，电容c4对组织放电，产生无倍压正脉冲输出；
[0063]
‑
u1输出高阻态，输出关断；
[0064]
‑
u1输出高电平，电容c4开始充电，产生负脉冲输出；
[0065]
‑
u1输出高阻态，输出关断。
[0066]
二倍压脉冲输出时工作流程图(以电极正和机壳之间为例)：
[0067]
‑
u1输出低电平，u3输出低电平，电容c4对组织放电，产生无倍压正脉冲输出；
[0068]
‑
u1输出低电平，u3输出高电平，电容c4和电源电压串联一起对组织放电，产生二倍压正脉冲输出；
[0069]
‑
u1输出低电平，u3输出低电平，电容c4对组织放电，产生无倍压正脉冲输出；
[0070]
‑
u1输出高阻态，输出关断；
[0071]
‑
u1输出高电平，电容c4开始充电，产生负脉冲输出；
[0072]
‑
u1输出高阻态，输出关断。
[0073]
电压钳位模块包括：tvs二极管tvs1、tvs2、tvs3；其中：
[0074]
tvs二极管的n极分别连接三态电平转换芯片的vout脚，p极接电源地。
[0075]
当人体触电、电刀手术、除颤、核磁时，三态电平转换芯片输出端会产生高压，当电压超过5v时，tvs二极管反向导通，用于防止三态电平转换芯片输出端过压损坏。
[0076]
电流限制模块由专用电流限制芯片构成；其中：
[0077]
电流限制芯片vin1脚连接隔直电容c4，隔直电容c4另一端连接三态电平转换芯片u1，电流限制芯片vout1脚连接电极正极，电流限制芯片vin2脚连接隔直电容c5，隔直电容c5另一端连接三态电平转换芯片u2，电流限制芯片vout2脚连接电极负极。
[0078]
电流限制芯片的vin1、vout1与vin2、vout2之间完全隔离，以vin1、vout1为例，当
电流小于50ma时，vin1和vout1之间电阻很小，几乎对电路不产生影响；当电流大于50ma时，vin1和vout1之间电阻迅速增大，可限制电路中流过的电流。电流限制芯片为无源器件，可将最大电流限制在50ma,最大耐压850v，防止触电、电刀手术、除颤、核磁时流过电极电流过大导致组织纤维化损伤。
[0079]
本发明实施例的脉冲电路的控制方法，该方法包括以下步骤：
[0080]
步骤1：主控电路根据设定脉冲电压选择是开启dc/dc降压电路还是rc充电电路；当需要输出0
‑
1.8v脉冲电压时，开启rc充电电路，关闭dc/dc降压电路，负载开关关闭，控制rc充电电路使输出电压为设定值；当需要输出1.8
‑
3.3v脉冲电压时，关闭rc充电电路，开启dc/dc降压电路，负载开关打开，控制dc/dc降压电路使输出电压为设定值；当需要输出3.6v
‑
6.6v脉冲电压时，关闭rc充电电路，开启dc/dc降压电路，负载开关打开，控制dc/dc降压电路使输出电压为设定值的一半；
[0081]
步骤2：主控电路根据输出通道设置和极性设置配置三路三态电平转换芯片，将不用的通道设置为高阻态，将选定通道设置为脉冲输出正极或脉冲输出负极；
[0082]
步骤3：主控电路根据设定脉冲电压选择采用无倍压工作模式或二倍压工作模式，当设定脉冲电压为0
‑
3.3v时，采用无倍压工作模式，当设定脉冲电压为3.6
‑
6.6v时，采用二倍压工作模式；
[0083]
步骤4：主控电路按照预设流程控制三态电平转换芯片输出刺激脉冲。
[0084]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。