專利名稱：適用于體外除顫器的高壓脈沖發生電路的制作方法
技術領域：
本發明專利屬于醫療設備技術領域，具體涉及一種適用于體外除顫器的高壓脈沖發生電
路，尤其適用于由電池供電的體外除顫設備。
背景技術：
心室纖顫是一種嚴重的心臟病癥狀，等同于心臟停搏，嚴重威脅著人類生命，而有效的制止 心室纖顫的措施就是電擊除顫。電擊除顫分為體內除顫、體外除顫，體外除顫是目前常用的急救 手段，但通常要求很高的電能量， 一般釋放出的電能需要達到200-400焦耳。同時為了保證除顫 成功率，除顫的放電波形也至關重要，而為了放出合理的除顫波形，通常將電能經充電電路以高 壓的形式儲存在大容量儲能電容上，在必要的時候，在單片機的控制下經由放電電路按照一定的 波形釋放于人體，實施除顫。
高能量對應的除顫電壓很高，常常要達到1400V甚至以上，通常采用大容量的儲能電容儲 存高壓，在短時間內(小于8S)對儲能電容充電至額定儲能，可見脈沖發生電路中大功率的充 電電路是除顫器研究中的一個關鍵。
急救用除顫器應采用電池供電，因此高壓充電部分可以看作是采用直流-直流(DC-DC)電 壓變換技術將電源電壓升到需要的高壓，并且將能量迅速儲存在耐高壓的大容量電容上。DC-DC 變換目前常用電源變換技術不能達到所需要的高壓大電流的充電要求，而且充電效率很低，只能 達到大約45-60%的充電效率，損耗大。由于電池容量有限，這樣的充電效率使得儀器的使用壽 命大打折扣。而且儲能電容容值大，意味著容抗很小，電路負載小，因此對電路的帶負載能力提 出了很高的要求。
另外，經研究雙相指數截尾波能夠有效的提高除顫成功率，因此除顫器脈沖發生器放電電 路必須實現雙相指數截尾波。雙相指數截尾波(BET)是目前常用的有效的除顫放電波形。按照 除顫的要求，在5-10ms內要輸出1400V以上，15-30A的雙相脈沖電流波形。這就要求放電電路 必須等效電阻小，同時耐高壓，更要開關迅速靈活，便于控制。
目前使用的放電電路多采用品閘管組成開關橋路，所用的電路元件很多，整個電路顯得復雜而龐大。[參考專利申請號98803080.2]

發明內容
本發明的目的在于提供一種充電效率高、設備體積小、輸出穩定的用于體外除顫器的脈
沖發生電路，使除顫器能在較短時間內以高于60%的充電效率使大容量儲能電容上儲存1400V 的高壓并準確的按特定波形將這一大能量釋放于人體。
木發明釆用的技術方案總體可以表述為 一種由電池直接供電的除顫器高壓脈沖發生電 路，包括充電電路、放電電路和自放電電路；其中充電電路、儲能電容、放電電路相互連接，構 成一個回路；充電電路、儲能電容、自放電電路相互連接構成另一個回路。充電部分采用反激式 開關電路進行充電；放電部分采用雙相橋路實現電壓的兩路放電；自放電電路采用手動或自動方 式開啟絕緣柵雙極型晶體管，釋放電容上的電壓；單片機MCU控制電流型脈沖調寬控制器，電流 型脈沖調寬控制器直接與開關功率管、反激式變壓器、整流管相連，并最終連接儲能電容。儲能 電容則分別與放電電路和自放電電路相連。放電電路將高壓能量通過接觸良好的電極釋放到人體 上。
其中充電電路和放電電路是該高壓脈沖發生電路的兩個主體部分，以下將分兩部分具體闡 述這兩部分的技術方案。
第一部分，充電電路，完成能量從電池輸出儲存于大容量的儲能電容上。其主體部分由電 流型脈沖調寬控制器連接一個漏級串聯有反激式變壓器的功率開關管組成，反激式變壓器的原邊 串聯在功率開關管的漏級上，副邊經過一個控制電流流向的整流二極管和儲能電容相連。
該部分以反激式開關電源技術為基礎，加以改進。在功率開關管導通的時候，反激式變壓 器副邊由于整流二極管關斷無電流通過，電能被轉化為磁能儲存在反激式變壓器的原邊，在功率 開關管關斷時，反激式變壓器將儲存的能量傳送到大容量的儲能電容上，并最終在儲能電容上形 成高壓。同時，通過分壓的方式測量儲能電容上的電壓并經必要的隔離后，反饋到電流型脈沖寬 度調制(PWM)控制器的電壓比較端，與電流型脈沖調寬控制器的內部基準電壓進行比較，在 反饋電壓超過這一基準電壓時關斷電流型脈沖調寬控制器，停止往儲能電容上繼續充電，保證電 壓在設定的范圍內。電流型脈沖寬度調制(PWM)控制器同時提供電流檢測的方式，采樣開關 功率管上的電流，根據電壓的情況調節開關方波的占空比，以防止過充，保護整個電路的安全。
第二部分，放電部分。采用雙相橋式電路實現對負載的雙相放電。其主體部分是兩個放電 橋路，由光藕和晶體管組成的驅動電路連接絕緣柵雙極型晶體管IGBT，兩個這種結構的絕緣柵雙極型晶體管IGBT構成一路橋路，其中一個絕緣柵雙極型晶體管IGBT的集電極直接與儲能 電容高壓端相連，發射極和實施除顫的一個電極板相連，另一個絕緣柵雙極型晶體管IGBT集 電極連接實施除顫的另一個電極板。另外一路放電橋路的兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT連接 方式與上面兩個基本類似，只是集電極連接高壓的絕緣柵雙極型晶體管IGBT的發射極與上述 兩個實施除顫的電極板的后者相連，另外一個絕緣柵雙極型晶體管IGBT與前者相連。這樣兩 路放電橋路構成兩路放電通路，各自獨立，可以實現靈活的控制，兩路放電橋路導通時電流通 過兩個實施放電的電極板的先后順序正好相反，實現了雙相放電。同時設計自放電電路，在突 然掉電、充電過高、病人恢復正常無需電擊的情況下，通過絕緣柵雙極型功率管IGBT將儲存 在大容量儲能電容上的能量放掉。
本發明的有益效果是在較高的充電效率下很短的時間內達到產生高壓的要求，并能以靈活 簡單的控制方式在需要時將高壓按照設定參數迅速發放出去，使醫生能夠迅速有效的對病人實施 除顫，同時設計相應的靈活簡單的自放電電路，克服在掉電時髙壓的不安全、充電過高或病人不 再需要電擊的問題。本發明，可在8秒內以高于60%的效率使容量120uF的電解電容上存儲1400V 的高壓，在得到事先設定的這一高壓后，充電電路能夠迅速關閉，減少不必要的能量損失。放電 時，可以方便的通過單片機控制放電的波形、脈沖寬度、以及正負相時間間隔，設定這些參數后， 只需要簡單的命令就可以迅速的將原來儲存在大容量電容上的高壓電，以要求的放電波形釋放到 人體上。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。 圖1為本發明一種實施例脈沖發生器的基本連接框圖； 圖2為本發明一種實施例的充電部分電路圖； 圖3為本發明一種實施例的放電部分電路圖； 圖4為本發明一種實施例的自放電部分電路圖。
圖中標號，1為單片機MCU， 2為充電電路，3為儲能電容，4為放電電路，5為電壓檢測 電路，6為自放電電路，7為人體。
下面將針對除顫器脈沖發生電路的主要部分加以說明。
具體實施方式
圖1給出了脈沖發生電路的總體框圖。單片機MCU1直接與充電電路、放電電路、自放電 電路相連，控制這三部分電路。充電電路連接儲能電容3，當單片機MCU l發放充電命令給充 電電路2時，充電電路2開始工作將電池能量轉化為高壓儲存在儲能電容3上。同時為了保證充 電電壓在要求的數值，在儲能電容3之后設置電壓檢測電路5，檢測儲能電容3上的電壓，電壓 檢測電路5的另一端連接單片機MCU1以便將監測到的數值反饋給單片機MCU1。在儲能電容 3上電壓過高時，單片機MCU 1控制自放電電路6放掉部分的電壓。當電壓在合適的范圍，并 且操作者按下相應的按鈕或除顫器自動識別的部分判別可以放電的時候，單片機MCU1控制啟 動放電電路4，將儲存的能量按照雙相指數截尾波實施于人體7。
當掉電時，自放電電路也會自動開通，將高壓電放出，防止擊傷操作者和病人。
圖2所示，為充電部分電路原理圖。脈沖寬度調制控制芯片Ul通過功率開關管Q3與反激 式變壓器TRANS1相連，并通過能夠控制次級電流流向的整流二極管D3后與儲能電容相連。
與單片機相連的輸入端Charge為0，電路開始工作，為1電路關閉。為了防止上電瞬間， 單片機默認設定該管腳為0，引起誤充電，在Charge端接上拉電阻R1。為了防止輸入的電流過 高，超過脈沖寬度調制PWM控制器1腳的電流承受范圍，輸入端Charge經限流電阻R2在接入 到電路中來。
晶體管Ql、 Q2和電阻R3、 R4通過正反饋連接形成速度較快的開關。當Charge為0時， 該開關開啟，脈沖寬度調制PWM控制器U1按照電阻R5、電容C2決定的工作頻率開始工作， 并在6腳輸出對應頻率的方波。在方波的正相脈沖期間，開關功率管Q3開啟，于是在反激式變 壓器TRANS1的初級、開關功率管Q3和電流采樣電阻R7上有電流通過。
采樣電阻R7采樣電流的大小，將電流的測量轉化成電壓，脈沖寬度調制PWM控制器Ul 的8腳Vref值由R8、 R6禾tl R7分壓，在R6上形成一定電壓。R7上采樣后的電壓與R6的電壓 疊加，接入脈沖寬度調制PWM控制器U1的3腳Isense端，在此電壓超過一定范圍時(相當于 開關功率管的電流超過一定范圍)，將脈沖寬度調制PWM控制器U1關斷，進而調節輸出方波的 占空比，防止過充。
此時變壓器TRANS1的初級電壓上正下負，大小基本等于電源電壓+VCC，相應的會在次級 感應出一定的電壓，由于初次級的同名端位置，變壓器的次級電壓上負下正，由于整流管D3的 存在，次級沒有電流通過，因此能量只能儲存在變壓器TRANS1中。
當脈沖寬度調制PWM控制器Ul的6腳輸出方波的0電平時，開關功率管Q3關斷，變壓器TRANS1的初級不再有電壓，次級由于電磁感應的作用，將產生由原來相反方向的電壓，于 是整流管D3開啟，原來儲存的能量轉化成電能充至大容量儲能電容C上，在儲能電容C的正極 有高壓HighVoltage產生。
電容C1起到續流作用，在電池供電不能放出瞬間大電流時，提供續流。
電容C3、 C4起到電源退藕作用。
為了防止次級的高壓在整流管D3導通時反饋到初級的電壓將開關功率管Q3擊穿，使用穩 壓管Dl和整流管D2作為保護。
電阻R9、R10對高壓進行分壓產生出適合于脈沖寬度調制PWM控制器Ul的2腳電壓比較 端的電壓范圍，反饋到脈沖寬度調制PWM控制器U1的2腳，在電壓過高時，將脈沖寬度調制 PWM控制器Ul關斷。
圖3則介紹了一種使用絕緣柵雙極型晶體管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)作為大電
流通路的雙相橋式放電電路。
絕緣柵雙極型晶體管IGBT是復合了功率場效應管和晶體管的優點而產生的一種新型復合 器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩定性好驅動電路簡單、通態電壓低、耐壓高和承受電 流大等優點，尤其適合于我們這樣一個高壓大電流的電路要求。高壓電容上的高壓直接加在IGBT 上。
為了實現IGBT的正常工作，本發明選用合理的柵極驅動電路。光藕Q4、 二極管D4、電阻 R15、 二極管Q8、 Q9和電阻R17、 R18構成IGBT1的驅動電路，光藕Q6、 二極管D6、電阻R25、 二極管Q12、 Q13和電阻R21、 R22構成IGBT2的驅動電路，光藕Q5、 二極管D5、電阻R16、 二極管QIO、 Qll和電阻R19、 R20構成IGBT3的驅動電路，光藕Q7、 二極管D7、電阻R26 和二極管Q14、 Q15構成IGBT4的驅動電路。
GND1、 GND2分別接兩個電極板。
當控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT1和IGBT4的信號Bridgel、 BridgelDriver同時有效且電 極與人體接觸良好時，有IGBT1和IGBT4所組成的橋路開放，高壓電Highvoltage沿著IGBT1 的漏極、源極、GND1、 GND2及IGBT4的漏極、源極放出，這樣在兩電極上就形成了從電極 GND1到GND2的電流。
而當控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT2和IGBT3的信號Bridge2、 Bridge2Driver同時有效且 電極與人體接觸良好時，有IGBT2和IGBT3所組成的橋路開放，高壓電Highvoltage沿著IGBT2的漏極、源極、GND2、 GND1及IGBT3的漏極、源極放出，這樣在兩電極上就形成了從電極 GND2到GND1的電流，即實現波形與前面一個通路的放電波形反相。
圖4介紹了自放電的部分。其基本原理和圖2相同。
反相器U5起到反相的作用，在上電的瞬間，與單片機相連的輸入管腳DimHighVoltage初 始化為0，反相器U5的輸出端14腳為高電平，則光藕U6關斷，+15V—3使整流管D8導通，絕 緣柵雙極型晶體管IGBT5的柵、源兩極之間有電壓差產生，絕緣柵雙極型晶體管IGBT5丌放， HighVoltage即使原來有電也會被放掉。
工作穩定以后，當電壓過高或者不需要電擊時，將DimHighVoltage置為0，則與前面同樣 道理HighVoltage將通過絕緣柵雙極型晶體管IGBT5被放掉。
突然掉電時，光藕U6不再工作，它的兩個輸出端呈斷路，原來儲存在續流電容C20上的同 樣會使絕緣柵雙極型晶體管IGBT5導通而將高壓電放掉。
因此手動或自動的實現自放電，保證操作簡單和電路的安全性。
電阻R28起到限流作用，保護光藕。
電阻R30、 R31為絕緣柵雙極型晶體管IGBT5提供合理的靜態工作點。 電阻R29控制續流電容C20的充電時間。
各圖中引線上相同的標識連接在一起，完成了各部分的具體連接。例如，圖2的Highvoltage 處直接和圖4標有Highvoltage的位置連接在一起。
權利要求
1.除顫器脈沖發生電路，其特征在于包括充電電路、放電電路和自放電電路；其中充電電路、儲能電容、放電電路依次連接，構成一個回路；充電電路、儲能電容、自放電電路依次連接構成另一個回路；充電部分采用反激式開關電路進行充電；放電部分采用雙相橋路實現電壓的兩路雙相放電；自放電電路采用手動或自動方式開啟絕緣柵雙極型晶體管，釋放電容上的電壓；單片機MCU控制電流型脈沖調寬控制器，電流型脈沖調寬控制器直接與開關功率管、反激式變壓器、整流二極管相連，并最終連接儲能電容，儲能電容分別與放電電路和自放電電路相連，放電電路將高壓能量通過接觸良好的電極釋放到人體上。
2. 根據權利要求1所述的除顫器脈沖發生電路，其特征在于充電電路部分1) 一個電流型脈沖寬度調制器，用于產生脈沖寬度調制信號，隔離單片機與高壓部分 的接觸。2) —個大功率開關管作為開關元件，并在大功率的源極提供小電阻采樣電源輸出的電流。3) —個反激式變壓器作為能量儲存和轉換元件，其原邊副邊同名端位置相反4) 一個超快恢復的整流二極管，連接于反激式變壓器的副邊，在脈沖調寬控制器輸出 的脈沖寬度正相階段阻止變壓器副邊電流流通，在脈沖寬度調制反相階段快速恢復 導通。5) —個超快恢復的整流管，置于反激式變壓器的原邊，作為阻塞二極管和穩壓管對接， 對經反激式變壓器耦合回來的電壓加以限制，保護初級的電路。6) 利用電阻對于電壓進行分壓，保證電壓在模數轉換器能夠承受的范圍內，并同時將 分壓后的電壓反饋到電流型脈沖調寬控制器的電壓比較端，控制電壓在設定的范圍 不過充。
3. 根據權利要求1所述的除顫器脈沖發生電路，其特征在于所述的放電電路1) 采用光耦進行隔離，阻止單片機與高壓部分的接觸，并對絕緣柵雙極型晶體管提供前級驅動；2) 采用推挽式的驅動電路驅動絕緣柵雙極型晶體管；3) 四個絕緣柵雙極型晶體管形成橋路，其中兩個絕緣柵雙極型晶體管構成一路，為高 壓電提供一路通路，在二者之間連接兩個實施除顫的電極板；另兩個絕緣柵雙極型 晶體管構成另一路放電橋路，二者之間連接兩個實施除顫的電極板，為高壓電提供 另一路通路；在兩路橋路中電流流過兩個實施除顫的電極板先后順序相反；同一通 路上的絕緣柵雙極型晶體管的橋路驅動信號一致，兩路通路輪流開放。
4.根據權利要求1所述的除顫器脈沖發生電路，其特征在于所述的自放電電路1) 采用光耦隔離單片機和高壓部分，對絕緣柵雙極型晶體管提供驅動。2) —個小容量的電容，在掉電或關機時，利用電容上的電壓使絕緣柵雙極型晶體管迅 速導通。
全文摘要
一種用于體外除顫器高壓脈沖發生電路，主要由充電電路、放電電路兩部分組成。它的充電電路基于反激式開關電源，由電流型脈沖寬度調制控制器控制，通過采樣電流和電壓適時的關斷充電電路，使高壓保持在所設定的范圍以內。它的放電電路由光耦和絕緣柵雙極型晶體管IGBT組成的雙相橋路組成。光耦控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT的開關，同時隔離高壓和單片機，保護電路的其他低壓部分。絕緣柵雙極型晶體管IGBT組成開關電路，將由充電電路存儲在大容量的儲能電容上的高壓，按照設定參數的雙相指數截尾波釋放出來，實施于人體，完成除顫動作。
文檔編號A61N1/39GK101564574SQ200810036529
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月23日 優先權日2008年4月23日
發明者立 溫 申請人:立 溫