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1、 一种有效抑制可植入无线能量传输中EMI的方法 柴东林， 吉彦平， 李嘉伟， 王文思， 师瑞峰（1.华北电力大学 控制与计算机工程学院， 北京 100096；2.北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室， 北京 100124）0 引 言随着科技的进步，人们对健康的要求变得越来越高，而疾病的治疗方式与身体健康息息相关。植入式医疗器械作为一种新兴的疾病治疗方式，吸引着大批的科研工作者。医疗器械植入体内的目的是治疗某种特定疾病或者监测人体生理参数等。比如：脑机接口1系统使人们对大脑的治疗和检测更为方便，将极大地延长人类的寿命；还有人工心脏2、心脏起搏器3、人工耳蜗、胶囊内窥镜4、神经假肢和颅内压监视
2、器等。磁谐振式无线能量传输技术将彻底改变植入式医疗设备的能量获取问题5-6。磁谐振式无线能量传输技术7是通过磁场进行能量传输的特殊技术，首先，磁场作为能量的传输载体，在接收设备和发射设备之间的磁场强度是远高于周围环境的；其次，磁场会明显地影响生物体健康程度和其他设备正常工作8，又需要对非工作区的磁场进行更大程度上的削弱。因此，无论从探索系统传输机理、增强系统本身耦合强度的角度出发，还是从系统安全性或技术推广的角度考虑，都需要对谐振式无线能量传输系统的电磁环境进行研究和分析9。1 谐振式无线电能传输技术的理论基础1.1 谐振式无线供电的理论基础谐振现象广泛地存在于自然界中，根据最大能量传输和谐振
3、理论，当传输磁场的频率和系统（初级、次级电路）固有频率相同时，能够获得最大传输效能。在近场区域，电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源内部之间周期性地来回流动，向外辐射很少。电磁谐振式无线能量传输技术10是国内外学术界和医疗工业界开始探索的一个新领域，它是集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应、耦合理论等众多学科交叉的应用研究，属于世界上无线能量传输领域的热门研究。电磁谐振式无线供电有其独特的优势和特色。首先，谐振式无线能量传输具有非辐射性，它与广播用的电磁式天线11有本质区别，要求通过恰当的控制使系统不向外辐射电磁波，减少在空间中不必要的能量消耗，可以理解为电磁波的近场特性的应用；其次，空间进行
4、能量交换的媒介是交变磁场，没有电场的产生，因此对周围环境的影响很小，如果是电场则会对周边环境产生不好的影响；再次，它在体内外能量传输交换上无严格的方向性，采用适当的控制就可以做到无方向性，并且具有良好的穿透性，它不受非金属障碍物的影响。这些电磁谐振式线圈所具有的特性刚好适用于植入式医疗器械的设计，植入式医疗器械在体内工作的过程中，线圈随着人体的活动姿态会出现较多不确定的情况12，通过对谐振线圈的相关设计13可以很好地克服这些缺点。植入式无线电能传输示意图如图1 所示。图1 植入式无线电能传输示意图1.2 电磁场辐射的理论基础电磁干扰（Electromagnetic Interference,
5、EMI）有传导干扰和辐射干扰两种，传导干扰是电磁波通过电源线、信号线进入电路系统造成的干扰，辐射干扰是干扰源向空间发射电磁场进行辐射干扰。在无线能量传输系统中干扰源是多样的，包括谐振线圈、驱动电路中的开关器件、控制线和电磁敏感器件等，都需要采用特定的方法进行抑制。YY9706.102.2021 相关医用电磁兼容标准规定了三类有源植入式医疗器械的电磁辐射界限，目前国内大多数学者对无线能量传输的电磁兼容机理的研究14都是在谐振状态下，谐振式无线能量传输系统工作频率往往在120 MHz 之间，因此产生的干扰大多是近场辐射干扰，且通常收发两侧的线圈需完全对准。而实际应用过程中，环境因素、负载变动、线圈
6、偏移或线圈过耦合等因素都会导致无线能量传输系统脱离原有正常的工作状态，发出工作频率之上的高次谐波，影响周边的电磁环境。根据相关研究15，系统为谐振状态时，发射线圈与接收线圈上的电流存在90的相位差，因此发射线圈与接收线圈之间的磁场有着快速变化的情况，此时空间中的电磁场由发射线圈中电流产生的磁场与接收线圈中电流产生的磁场叠加而成。磁场向外辐射又分为共模辐射和差模辐射。差模辐射是由成环的差模电流引起的辐射，在发射线圈和接收线圈中由于两条相对迹线的电流方向相反，量值相同，它们的辐射是相互削弱的，因此差模电流本身尽管量值较大，但引起的辐射却较小。共模辐射是共模电流产生的辐射，共模电流大小通常比差模电流
7、小几个量级，但由于两迹线共模电流方向相同，电流引起的辐射场是相互叠加的，故差模电流引起的辐射与共模电流相比就会小很多。因此抑制共模辐射所采用的措施是无线能量传输系统中需要重点研究的方面。除了共模辐射干扰以外，开关器件产生的辐射干扰更应引起重视。通常发射线圈的驱动电路会采用非线性放大器作为设计核心，在放大器的开关器件工作时会产生高频脉冲电压、电流，形成高频噪声，进而形成辐射干扰。敏感器件在特定情况下依然会形成辐射干扰，而在无线能量传输系统中的任何器件都有可能受到电磁场的作用，成为敏感器件，如高频逆变电路、整流滤波电路、中心控制电路等，这些电路中敏感器件会发射电磁波形成辐射干扰。2 接收电路与发射
8、电路的设计2.1 发射电路设计的理论基础在无线能量传输系统中，其电路设计的原理是：发射电路将直流电转换为一定频率的交流电并传送到接收电路中，发射电路设计其实就是逆变电路的设计。发射电路使用逆变电路拓扑，有全桥逆变电路、半桥逆变电路、功率放大电路等。而功率放大器结构又分为A、B、C、D、E、F等几大类，其中E 类结构简单、能量转化率高，在理论上能量转化效率可以达到100%。本文所搭建的E 类功率放大器电路原理图如图2 所示。图2 E 类功率放大器电路原理图E类功率放大器结构拓扑包括直流输入电源、滤波并联电容、扼流电感、开关管M1、L2、C4串联谐振滤波电路，其中，扼流电感有较高的交流阻抗，只允许
9、电源中的直流电流通过，而在电源附近的电容起到滤除供电中的工频噪声的作用。电路的输出电容与开关管M1并联。开关管M1在V2输入范围内周期性地开启和关闭，串联谐振滤波电路工作在谐振频率处，这样可以保证输出信号为正弦波形，使基本的频率信号传输到负载。分析电路理论时需要设定一些理想条件，假定电感是纯感性的，不存在阻性；串联谐振电路的品质因数也足够大，以保证可以输出正弦信号；开关管M1导通电阻为0，同时通断是瞬间完成的，并且寄生电容也是恒定的。要想降低开关状态转换下的功率损耗，就必须要满足零电压导通（ZVS）条件。当0t 时，开关管闭合，通过M1并联电容的电流ic0，通过开关管的电流为：式中，当t=0
10、时，is=0。可以将式（1）转换为：当 t2 时，流过开关管并联电容两端的电流为：当t= 2 时：假设扼流线圈没有损耗，其输出的直流电压Vds为：开关峰值电压和电流分别为：在理想状态下，其转换效率可以达到100%。在此条件下直流功率PDC等于射频功率P0，即：式中：E 类功率放大器工作状态转换存在延迟，所以当工作频率增加的时候，功率放大器的效率会降低。开关管的选择是提高效率的关键，E 类功率放大器的最大工作频率和漏极效率取决于导通电阻以及输出电容，其计算公式为：式中：RS、Vds、Imax、0分别为开关管的导通电阻、电源电压、沟道开启电流以及工作角频率。在发射电路末端处接无线传输线圈，因为通过
11、逆变电路把直流电压转换为交流电压，在通过线圈时也要经过滤波，使得交流电压更加平滑稳定。本文采用电容滤波电路，通过电容的反复充放电实现滤波。2.2 接收电路设计的理论基础体内的接收电路的工作原理是：通过接收线圈接收经过发射电路的逆变电路处理后的交流电压，所以需要对交流电压进行整流，同时也要满足低功率、结构简单和工作稳定的特点。目前常用的整流电路有倍压整流电路、桥式整流电路以及半波整流电路等。其中半波整流电路只利用一个二极管接到负载上，脉动大、效率不高且不稳定；而桥式整流电路较为稳定，但是内部电路中二极管数量较多，其中的损耗必然较高，在体内植入这种弱能量场的场景下并不适用。综上，本文中所使用的是倍
12、压整流电路，其电路原理图如图3 所示。基本的倍压整流电路是二倍压整流，其中包含两个二极管，而在本文的弱能量场的使用场景中，要尽可能地减少器件损耗，从而减少倍压系数。图3 倍压整流电路原理图经过线圈接收到发射电路中的交流电压，当正半周期时候，D1导通，电容充电，为负载供电。在左端线圈后是电容滤波电路，由于交流电经过整流电路后是脉动直流电，这样的直流电纹波大，因此需要添加滤波电路才可以使电压更加平稳光滑，作为负载的电源使用。本文中使用电容滤波作为接收端的滤波电路，通过电容的反复充放电来实现滤波。对所设计的发射电路和接收电路进行仿真，给发射电路增加一个直流电压的激励，经过逆变电路的直流转换交流，得到
13、如图4 和图5 所示的正弦波形。通过仿真可以看到，接收电路和发射电路端还是存在一些电磁干扰（EMI）。图4 发射电路仿真波形图5 接收电路仿真波形2.3 发射电路设计本文选择的发射电路的逆变电路结构是E 类功率放大器结构，在此结构基础上构建完整的发射电路。发射电路整体结构分为4 个部分，分别是供电模块、控制模块、DC-DC 电源管理模块以及功率放大器线圈模块，根据电路原理图制作PCB 电路板，实物图如图6 所示。图6 PCB 电路板实物图2.4 接收电路设计根据倍压整流电路的原理，本文构建了接收电路，主体芯片使用TPS82740BSIPR，其电路原理图如图7 所示。图7 接收电路原理图本文实验
14、所用的接收电路实物图如图8 所示。图8 接收电路实物图设计发射电路和接收电路的目的是有效地避免电磁干扰。在发射电路的设计中采用了两项技术，分别是展频技术和谐波抑制技术。3 展频技术对WPT 系统电磁辐射进行抑制，除了采用传统的方法外，针对WPT 系统中特有的辐射问题，还需要采用特殊的手段来解决。电磁辐射抑制的方法有很多，通常采用的有：1） 在相关环节增加滤波电路；2） 对于产生辐射的敏感元件，局部采用封闭的金属外壳进行屏蔽；3） 对开关器件采用软开关技术；4） PCB 优化布局抗干扰技术；5） 接地技术，将相关电路接地，形成等势面。采用上述传统的方法后，能够减少一部分电磁辐射，但是想要从根源上
15、解决WPT 系统的电磁辐射问题，需要从时钟上入手。而扩频技术的运用则可以从电磁波辐射源头上有效抑制谐波的产生。扩频技术是改变传输磁场载波频率的EMI 抑制措施，能够使得高次谐波的增益分布在比之前固有频率更长的频带内，改善无线能量传输中磁场的频谱，进而有效抑制高次谐波分量。在WPT 系统当中，电磁场发生谐振只工作在单一某个频点，往往发射线圈和接收线圈发出的是周期性的信号，而周期信号的频谱是离散型的，离散型的信号在单个频点上是没有能量的，因此通过傅里叶分解得到的信号能量主要集中在基波和多次倍频谐波上。扩频技术就是在保证正常工作的前提下，通过调整谐振开关的时间顺序来控制电压或电流的响应时间，降低其对
16、外电磁干扰水平。WPT 系统以13.56 MHz 为工作的主频率，市面上很多厂家都会推出此频点的有源晶振芯片产品，通过各厂家产品的性能对比，最终采用精英公司（ECS）生产的晶振作为时钟源。ECS 成立于1980 年，是世界上最知名、经验最丰富的频率控制管理产品制造晶振厂家之一。ECS 晶振本身具有温度电压控制功能，具有温度补偿作用，温度稳定性高，工作温度为-3085 。其频率精度高，时钟更稳定。在同类产品ECS 晶振中体积小、功耗低、晶片表面更光洁，可以很好地降低谐振电阻。在扩频技术的实际应用中，采用韬略公司的展频芯片SSDCI1108AF，能够得到非常理想的EMI 抑制效果。该芯片具体的应用电路如图9 所示。展频芯片SS
