微功耗深部脑刺激器刺激输出模块的设计及实现

　　1　引　　言

　　深部脑刺激器(deep brain stmi ulator, DBS)是当前最佳的帕金森病外科治疗手段,通过植入体内的电池供电的刺激发生器给脑深部特定核团提供连续刺激脉冲,以达到治疗效果。与心脏起搏器相类似,DBS也被冠以“脑起搏器”的名称,但与前者按需工作不同,DBS需要持续工作,这也就对系统功耗提出更高的要求了。刺激输出模块,作为DBS的核心,对其功耗控制就更为苛刻了。

　　Medtronic等国外公司或已有成型的产品,或正在从事相关研究,但关于DBS的刺激输出模块相关技术文章极为少见,国内虽有学者[1-2]对DBS实现提出了框架性的解决方案,但对具体技术细节未加以详述,文献[3]给出了实际电路设计,但其方案是针对外部能量耦合的方式,且刺激参数调节范围有限,无法实现程控调节。参考国内外的研究资料[4],刺激模块的输出范围设定为:脉宽(60~450μS)、频率(0~300 Hz)、幅度(0~10.0 V)便可基本涵盖整个治疗的范围。系统采用锂电池供电,其电压为2.7~4.2V,落在输出电压范围内,升降压电路是其最佳的设计方案。反相buck-boost和Cuk转换器[5]可升压也可降压,但其输出极性与输入相反,不利于刺激输出控制及反馈控制。基于变压器的隔离拓扑结构比如Flyback[5],由于体积大、重量沉、效率低等缺点而不在考虑之列。各种级联结构以及SEPIC也因时序控制复杂,外围器件多,显然也不适合本设计。4开关拓扑结构凭其输入输出电压范围广、效率高、结构紧凑,成为最终的选　　择,虽然其控制时序稍显麻烦,但这对于由微控制器作为开关时序及回路反馈的控制器而言,则根本不成问题。

　　近年来4开关拓扑结构被广泛地应用于手持低功耗设备,对其控制方式及应用进行了深入而广泛的研究[6-7],但关于设计所需的调整范围大、微功耗、脉冲式输出的研究未见报道。为此,本文提出了以微控制器作为开关控制器和反馈控制器的混合模式(PWM+PFM)、动态(输入输出电压可变)、微功率(平均功率为mW量级)的脉冲式4开关升降压电路,为了描述方便,在此,称其为动态混合脉冲式升降压电路。在随后的内容,将给出电路的设计框图,并详细介绍脉宽调制模式与脉冲频率调制模式相结合的混合调制方式、元件参数的选择,以及系统功耗分析,最后给出实验数据及分析结果。

　　2　动态混合脉冲式升降压电路

　　动态混合脉冲式升降压电路如图1所示,动态是指系统的输入输出并非固定不变,而是可在一定范围内变动;而混合模式则是指在调控输出电压的时候,开关脉冲的占空比和频率同时变动,也即同时利用PFM与PWM方式;脉冲是指按照设计要求,系统将以固定的频率(0~300Hz)工作一定的时间(60~450μs),即对外输出一定频率和脉宽的刺激信号,而其余时间则停止输出。具体的实现原理简述如下:输出控制(P1)与组合开关控制(工作方式决定开关的组合)脉冲相配合,当需要输出刺激脉冲时,在打开输出开关(P1)的同时,启动组合开关控制脉冲,使其工作于Buck/Buck-Boost/Boost模式中的一种,充电输出电容,对外输出所设定的电压幅度;当脉冲持续到达所设定的脉宽时,则关闭输出开关,与此同时,停止组合开关控制脉冲,这样,输出电容与输入输出相隔离,从而近似地认为电压保持不变。