【作 者】郑宏昌

【摘 要】

随着医疗技术的发展，人体植入医疗设备可以代替人体器官工作，这已经逐渐成为一种重要的医疗手段，有极大的临床需求。但是人体植入设备的电能供输方式一直是亟需克服的临床难关，特别像人工心脏这一类功耗需求较大的设备，植入电池往往只能提供短短一段时间的电能，通过电线将体外电能输送进体内的方式又偏偏会引起感染，带来二次病害。而无线电能传输技术可以摆脱电线，以非接触的方式为用电设备供电，正好可以解决人体植入设备的供电难题。

然而，有研究表明无线电能传输系统对系统参数变动敏感，系统的传输距离、输出负载或系统输入变化都会影响系统传输特性，导致系统输出电压波动，或者导致系统运行不稳定，甚至导致系统无法正常工作。此外，不同的用电设备对电能品质会有不同的需求。比如对于人工心脏设备的无线供电，需要在系统运行过程中，传输距离或者负载发生变化时始终保持稳定输出，又需要实现系统的体内外信息交流，同时又期望系统植入体内部分体积重量小、损耗少且需要温升控制在人体温度以下，不影响人身体健康。所以为了满足人体植入设备系统需求，保证系统运行的稳定和可靠，设计一套适用的无线供电系统控制方案十分必要。

本文首先学习并研究目前国内外在人体植入设备无线供电应用方面的研究现状，然后参考以往的系统稳压输出和数据通信这两项关键技术的实现方案，最后通过整理和分析以往各种方案的优势与局限，提出一种满足人体植入设备无线供电系统需求的控制方案。

首先为了满足系统植入部分体积小和损耗少的需求，同时也避免直流功率变换电路易发热、易损坏及高频开关噪声对人体危害的缺点，本文设计的植入部分传能电路只由谐振网络和不可控整流滤波构成，然后采用通讯方式将系统输出状况发送到原边控制环节，最后结合能量注入控制方法在控制环节中设计控制策略以实现系统的稳压输出。而因为植入设备对通信速率要求不高，也由于电磁波频率越高，对人体辐射危害越大，所以为了减少采用高频通信方式对人体辐射危害，本文选择搭建低频定向信号通道完成数据传输。

本文首先分析系统模型，提出匹配能量注入控制的系统参数设计方法，然后提出系统稳压输出控制策略，接着通过仿真对所提的控制策略进行验证分析，最后搭建硬件测试平台进行实验验证。测试结果说明了设计方案的可行性，当系统负载或者互感在需求范围内变化时，系统都能实现输出电压稳定和数据通信。

【关键词】无线电能传输，稳压输出，同步数据通信，体内植入医疗

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