开题.docx
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开题
一、论文题目：
无线充电器的研究
二、选题背景及意义
随着包括IC工艺在内的各项技术的日益发展，采用植入式电子装置为残障人士重建视觉、听觉等认知功能成为可能。
植入式电子装置是一种埋置在生物体或人体内的电子设备，主要用来测量生命体内生理生化参数的长期变化，诊断、治疗某些疾病，实现在生命体自然状态下体内的直接测量和控制功能，也可用来代替功能已丧失的器官。
由于其突出的作用，植入电子学已成为生物医学电子学中的一个极为重要的组成部分，植入式电子设备的发展将是21世纪生物医学电子发展的一个重要的方向。
对于植入式电子装置来说，电源的长期供给是至关重要的问题。
对于实用的植入式电子装置来说，应注意以下几个问题：
小型化、低功耗及其可靠性；电源的长期供给；植入材料的人体相容性；体内外信息的交换等。
其中电源的长期供给是一个非常重要的问题，人工器官和其它植入式电子装置都需要能源供应，不同的植入电子装置的功率不同，图2-1列出了从1mw到l0w以上的几种植入装置的功率。
图2-1几种植入装置的功率
由于是“植入式”装置，所以希望该系统能够长期在体内稳定地工作，能量的供给单元是系统的核心部分，它是确保系统长期稳定工作的必要前提条件，因此能量供给部分是体内系统的一个关键部分，目前主要有三种可采用的能量供给方式：
电池供电方式、经皮能量传输方式、生物体内其它能量的转换。
目前在植入式电子系统应用中大量采用的供能方式主要是前两种。
2.1电池供电方式
植入式电池是比较传统的能量供给方式，是比较直接的解决植入系统连续供电的方法。
但这种方式最大的缺点就是无法为电池进行充电，而电池的使用寿命有限，一旦电能耗尽后只能通过手术对电池进行更换。
目前人们开发出的可植入人体的电池包括化学电池、核电池，生物电池等。
2.2经皮能量传输方式
经皮能量传输是能量供给的一个热门话题，电能通过它为体内电池充电。
目前有两种可行的方法：
一种是由导线通过皮肤直接输入；另一种是无线电能传输技术，主要靠交变电磁耦合来传输电能。
导线直接输入的方法简单易行，并且可把体积较大的装置放在体外通过导线与体内连接，在辅助设备中常常使用。
如1995年，英国剑桥郡帕普沃斯医院成功地为一位62岁的心脏病患者植入了一个以电池为动力的机械泵，电池包可固定在腰间也可挂在肩上，它与心脏泵之间就是通过皮肤用导线连接的。
采用这种方法避免了定期手术更换电池的麻烦，但缺点就是系统开放，皮肤接口处易发生感染。
于是，无线电能传输技术就应运而生了。
无线电能传输技术是植入电子装置能量供给的新型方式，采取的能量耦合方式主要有基于射频功率放大器的传输、基于谐振变换器的传输和基于变压器原理的传输。
这里主要介绍一下基于变压器原理的传输。
基于变压器的能量传输是根据变压器的思路，利用电磁感应原理进行能量耦合。
为了减少体积和重量，可以选用较高的工作频率，这样可以减小磁芯的体积、初次级线圈匝数。
这种电路结构简单可靠，效率较高。
适于传输功率要求不是很大的应用场合。
通过通过这种方式传输能量，可以避免传统的穿皮供电，有效地减少内部感染，增加芯片植入体内的可用性。
同时，体外无线传输供电，增加了整个装置的安全性，将会给患者带来极大的便利。
2.3生物体内其它能量的转换
利用生物体内的能量转换，比如利用生物体内的机械能、温差供电、直接从神经上提取电能等等，不过目前没有较为成熟的研究和应用。
还可利用自身运动产生的电能自动给体内电池充电。
Antuki等人于1996年研制了一种方法，在鞋底使用压电晶体把地面反击力、脚后跟撞击力作的功转化为电能，这种能量易于与现有的经皮能量传输系统结合以增加或代替外部的能源。
病人静止时，能量将从外部电源充电到体内电池，当病人步行时产生的能量将通过一个二极管引导到能源线增加体内电池的电量。
不过这种装置只有当病人运动并且穿上这种特殊的鞋子时才可以发挥作用。
2.4选题意义
对于植入式电子装置来说，电源的长期供给是至关重要的问题。
传统的电池供电方式，储能元件只能一次性使用，一旦电能耗尽后只能通过手术进行更换，这一方面加重了患者的经济负担，另一方面也增加其所受的痛苦。
而采用导线直接供电的方式又会增加患者感染的风险。
通过无线能量传输，可以避免穿皮供电，有效地减少内部感染，增加芯片植入体内的可用性。
同时，体外无线传输供电，增加了整个装置的安全性，并且避免了定期手术更换电池的麻烦，将会给使用者带来极大的便利。
三、课题研究内容
本课题将主要研究以下内容：
1）.学习和研究线圈的基本理论。
如上文2.2所述，无线电能传输技术，主要利用电磁感应原理和变压器进行耦合以传输能量。
图3-1展示的是某植入式装置充电系统的框图。
图3-1某植入式装置充电系统框图
从图3-1中可以看出，无线能量传输部分的核心是经皮变压器。
因此变压器的耦合效率对于能量传输的效率有着巨大的影响，而耦合效率在根本上取决于耦合系数和线圈品质因数。
同时，在变压器进行无线能量传输时，由于皮肤的阻隔，两个线圈很难精确对准，线圈间会产生角型失配和横向失配从而影响其稳定性、可靠性以及传输效率。
同时，其结构复杂、设计要求严格，在具体实现上有很大难度。
另外，由于其工作频率在较高，可能会对周围其它电磁设备产生干扰。
所以变压器的绕制方式，相关参数以及抗干扰能力均是需要研究并且解决的问题。
2002年，H.Matsuki提出了一种为植入式人工心脏传递电能的具有一定挠性的经皮变压器，是经皮变压器原理进行能量无接触传输较早的设计。
后来H.Matsuki又采用类似的变压器，设计中采用了同步整流技术，有效地降低了温升效应，使温升减少了30%-50%。
之后Nishimura.T.H采用扁平变压器并对变压器进行了优化设计，主要是对次级线圈进行改进以提高系统效率。
通过增加次级线圈的缠绕层数使交链磁通提高，达到减小铜损和铁损、提高转化效率和耦合系数的目的。
这种经皮变压器结构设计方法后来被广泛采用。
通过研究，我将进一步探索实现线圈优化设计的方法，提高线圈的品质因数，最后将根据整个充电器电路系统的需求，在硬件电路上进行验证。
2）.研究开关电源的基本原理和相关知识。
开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳定电源，它是作为线性稳压电源的一种替代物出现的，以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源设计方式。
使用开关电源技术可以有效的减小电路的体积和重量，尤其是能显著提高电路的能量转换效率，降低电路损耗，这对于充电器电路的研究也是十分重要的一环。
通过研究，探索提高电路转换效率的方法，确定并设计一种高转换效率的电路，并最终在硬件电路上加以验证。
3）.学习和了解锂离子电池充电方式的相关知识
随着电子技术的迅猛发展及电池技术的进步，开发出多种新型电池，其中发展最快的是可充电电池。
在镍镉电池后相继开发出镍氢电池、锂离子电池。
锂离子电池与镍镉电池及镍氢电池在主要性能上的比较如表3-1所示。
表3-1锂离子电池/镍镉电池/镍氢电池主要性能比较
参数/电池种类
锂离子
镍镉
镍氢
单位重量能量密度（W-Hr/kg）
90
40
60
单位体积能量密度（W-Hr/l）
210
100
140
额定电压（V）
3.6
1.2
1.2
充电次数
1000
1000
800
自放电率（％/月）
6
15
20
由表3-1可看出锂离子电池的单位重量能量密度及单位体积能量密度都是最高的，即同样的电池重量、同样的电池体积，在同样的负载电流时，锂离子电池的两次充电的时间间隔是最长的；并且它的自放电率最低，也无记忆效应[7,8]。
由于这些优点，目前植入装置大多采用锂离子电池。
锂离子电池在工作过程中不产生气体，电池可以密封在带有玻璃-金属馈线连接器的金属壳体中，壳体的密封性很高，因而具有很高的可靠性。
由于锂离子电池的内部结构及安全性要求，其充电方法需要精密控制。
锂离子电池的充电方法是设计中值得关注的重要方面。
通过学习相关的知识，可以了解锂离子电池对于充电方式的一些特殊要求，这将有利于提高电路的实用性和安全性。
4）.学习研究植入式装置体内外通信
体内外通信的任务是实现向植入体内部分传送控制信号和必要的数据信号，同时能接收来自植入体内部分的信号，再由外部信号处理单元对其进行信号处理，最后用处理的结果来实现控制作用。
要设计一个可以自动控制和调节充电方式的充电器，就必须实现植入体内的模块和体外模块之间的信号通信，以使系统成为一个闭环系统。
四、课题拟解决的主要问题
通过对本课题的学习和研究拟解决以下几个主要问题；
1）.探索实现线圈优化设计的方法，提高线圈的品质因数。
如上文所述，无线能量传输部分的核心是经皮变压器，变压器的能量损耗在整个系统电路的能量损耗中占绝大部分。
因此探索和研究高转换效率的线圈对于整个充电电路来说是重中之重。
2）.探寻高效率的无线能量传输理论和方法，提高电路转换效率，降低损耗。
电路上的能量损耗同样不能忽视。
众所周知，电路上的能量损耗大部分将会以热能的形式表现出来，这对于植入体内的电路部分而言是有隐患甚至是危害的，因为这些热能将会给患者带来痛苦，严重的时候甚至会烧伤患者。
因此，控制降低电路损耗对于植入部分而言尤其重要。
3）.借鉴国内外相关充电电路资料，完成充电器电路的系统设计并确定主要模块的基本参数、充电方式、数据传输方式。
由于电池的内部结构及安全性要求，因此电池的安全充电方法是设计中值得关注的重要方面。
因为是植入式的装置，所以安全性是必须要被放在首位来进行考虑的，充电方式的选择十分重要。
同时，整个充电过程需要需要精密控制，若是充电控制不当，造成欠充电将会影响患者的正常使用；若是造成过充电，将会影响电池的寿命和性能，严重的甚至会造成电池的发热、燃烧，危及患者安全。
4）.完成一个充分考虑可植入性的无线能量传输的硬件电路系统。
通过该硬件电路来验证课题研究成果，并最终实现电路的实用化。
五、研究方案
本项目的研究主要采用文献研究法、模拟法和实验法进行研究。
项目初期将大量阅读国内外各类相关的参考文献和论文，为本项目的研究打好扎实的理论基础。
第二阶段将主要探索线圈设计的理论和方法，研究线圈的几何尺寸和结构对于其他电路参数的影响，探索其数学模型。
第三阶段将主要探索电路高效传输能量的实现，研究电路拓扑结构、器件布局等方面对于能量转换效率的影响。
同时还将研究充电方式、数据传输方式等，最终确定整个充电系统电路的拓扑结构，并探索、建立电路的数学模型。
最后将制作一个实际硬件电路，采用试验的方式来验证、修改之前的研究成果。
六、课题的创新与特色
本课题的创新与特色主要有以下几点：
1）.对变压器和线圈进行优化，探索实现线圈优化设计的方法，提高线圈的品质因数，建立线圈和电路的数学模型；
2）.实现一个无线能量传输的硬件系统，利用backtelemetry进行反馈控制。
研究实现高效率能量传输的理论和方法并对系统实现优化。
七、课题的预期成果
本课题将有如下预期成果：
1）.论文与专著
2）.一个无线能量传输的硬件系统，可供多种应用研究进行可行性的探索
3）.线圈和电路的数学模型
4）.实现高效率能量传输的理论和方法
八、论文提纲
第一章绪论
1.1植入式电子装置及其研究现状
1.2植入式电子装置能量供给方式
1.3本课题主要内容和意义
第二章经皮能量与数据传输硬件设计
2.1经皮传输方式
2.2经皮能量传输设计（包括线圈和电路的设计）
2.3经皮数据传输设计
2.4小结
第三章充电管理硬件设计
3.1充电方法
3.2充电控制方式确定
3.3充电监测
3.4充电保护
3.5电池选择及使用时限分析
3.6小结
第四章植入式装置经皮充电系统
4.1系统整体结构设计
4.2试验板设计
4.3试验板验证研究结果
4.4小结
第五章总结与展望
5.1本文总结
5.2展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢
九、计划进度
课题研究初步计划如下：
1）.2010.06~2010.11
阅读国内外文献，并初步探索优化线圈和电路的方法。
2）.2010.11~2011.2
继续探索优化线圈和电路的方法；
研究充电方式、充电安全措施；
3）.2011.2~2011.6
确定线圈的的几何尺寸和结构；
确定充电电路的拓扑、器件的选用、器件布局以及其它所有参数，并完成试验印板的设计；
对试验印板进行调试，初步验证研究成果。
4）.2011.6~2011.12
进一步扩大试验，完成对课题研究成果的验证。
十、参考文献
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