基于LCC-C的心脏起搏器无线充电线圈设计

2021年第40卷第3期传感器与微系统（Transducer

and

MicrosystemTechnologies

)

69

DOI：10. 13873

/J . 1 000-9787(2021)03-0069-04

基于

LCC-

C的心脏起搏器无线充电线圈设计

吕宣松，潘庭龙

(江南大学物联网学院，江苏无锡214122)

摘要：针对可植人心脏起搏器建立了一种无线电能传输系统的结构模型。模型采用磁耦合谐振技术与

LCC-

C型拓扑结构，利用电路互感理论计算得出电路等效模型的输出功率和传输效率表达式。在

MAT-

LAB 计算下获得较优的线圈设计参数，通过

HFSS 建立传输模型，嵌人

LCC-C 拓扑同时加人模拟人体组织

和起搏器外壳的结构，仿真过程中对线圈进行

Optmietnc优化。结果表明：采用

LCC-

C的模型传输效率

在线圈相距8

mm处可达91 % ,与传统

S-

S拓扑相比拥有更加良好的传输性能。

关键词：

LCC-

C拓扑；心脏起搏器；无线电能传输；磁耦合谐振

中图分类号：

TM724;

TP212 文献标识码

：A 文章编号：1000-9787(2021)03-0069-04

Design

of

wireless

charging

coil

for

cardiac

pacemaker

based

on

LCC-C * *

LU

Xuansong，PAN

Tinglong

(School

of

Internet

of

Things，Jiangnan

University，Wuxi 214122,

China)

Abstract ：

A

structural

model

for

wireless

power

transmission

system

is

established

for

implantable

cardiac

pacemakers.

The

model

uses

magnetic

coupling

resonance

technolog

and

LCC-C

topolog

struct

power

and

transmission

efficiency

expressions

of

the

circuit

equivalent

model

are

mutual

inductance

theory-

The

optimal

coil

design

parameters

are

obtained

under

MATLAB

calculation.

The

transmission

model

is

established

by

HFSS.

The

LCC-C

topolog

is

embedded

and

the

structure

of

the

simulated

human

tissue

and

the

pacemaker

casing

is

added.

The

coil

is

further

optimized

by

using

Optimetrics

method

during

the

simulation.

The

results

show

that

the

transmission

efficiency

of

the

model

using

LCC-C

is 91 %

8

mm

from

the

coil，which

has

better

transmission

performance

than

the

traditional

S-S

topology.

Keywords ：

LCC-C

topology ；

cardiac

pacemaker ；

wireless

power

transmission ；

magnetic

coupling

resonance

〇引言

由于医疗技术的进步以及人口的老龄化，植人心脏起

搏器的患者逐年增加，然而，植人式心脏起搏器采用一次性

电池，寿命一般为1 ~12年[1]，这取决于所使用的系统类

型和频率。当电池电量即将耗尽，需要通过手术进行置换，

这就给患者带来了手术风险与经济上的压力。作为一种无

线电能传输技术，磁耦合谐振式无线电能传输通过近场区

强耦合谐振实现能量的高效传输，为体内植人医疗装置的

供电提供了有效途径[]。

磁耦合谐振无线电能传输作为一种新型充电技术，是

利用磁谐振原理，可以在中距离下具有较大的传输功率和

传输效率[3]。对于双耦合线圈系统，当电源的角频率等于

发射线圈和接收线圈的耦合谐振频率时，系统处于谐振状

态。此时,大部分电磁能量可以在两个线圈之间传递，从而大大提高了传输效率。四种基本的磁耦合谐振拓扑结构为

串-串（

S-

S)、串-并（

S-

P)、并-串（

P-

S)和并-并（

P-

P)[4]。

由于串联补偿和并联补偿存在一些问题，研究者提出了更

加优越的拓扑结构。文献[]在整流器和发射线圈之间采

用了

LCL拓扑结构;文献[6]研究了

LCC型拓扑结构的输

出特性;文献[]将电容而非电感与发送线圈串联建立了

LCC-

LCC拓扑结构，在电动汽车的充电实验中获得了很高

的传输效率。为了分析双

LCC拓扑结构的电路模型，双侧

的内阻都被忽略。这减少了误差且适用于采用利兹线的双

线圈耦合系统。然而，由于起搏器接收单元的植人空间有

限，利兹线在体积和集成度方面并不比印刷电路板更具优

势。因此，双

LCC拓扑结构并不适用于起搏器无线电能传

输系统。此外，植人体采用的电子元件需要尽可能的少，减

小系统体积，流过接收线圈的电流也要很低。因此

LCC-C

收稿日期：019-09-24

*基金项目

：国家自然科学基金资助项目（

61672266)70传感器与微系统第40卷

拓扑结构对于心脏起搏器会是一个合适的选择。

1模型建立与理论分析

目前，对于磁耦合无线电能传输系统的理论分析方法

主要有耦合模理论和电路等效理论[8]。耦合模理论是从系

统的能量角度进行分析，可以用来对多种谐振模式的物理

系统进行理论分析，也可以用来分析共振线圈之间的耦合

关系；电路等效理论是通过建立系统的等效电路模型，构建

等效参数进行理论分析[]。耦合模理论求解难度大且复

杂，而电路等效理论求解难度小且更加直观,因此本文基于

电路等效理论对

LCC-

C型传输模型进行分析。

1.1系统传输模型

建立如图1所示的

LCC-

C型拓扑模型。令

+v

j

-)〇

)M

式中

A=Li+LL +f_ _jLA _

2

Cf

f

w

Cf

CiR

l=

AR-

l +

j

(3)

B = (

c〇M)2 (.

C〇

L---

—)

(〇

C{

则0

0

/,

图1 LCC-C

电路拓扑

图1中，?>

i为输人的交流电压,发射线圈和接收线圈

的电感分别是

Li和

L2;发射端的补偿电容为—和—，补偿

电感为

Lf;—收端的补偿电容;

M为发射线圈和接收线圈

之间的互感;

R

l为负载电阻；/

i,

A,3为流过

L,

R

l的电

流。由于补偿电感

Lf与两个线圈之间的耦合系数较小，在

这里忽略它们之间的互感。

互感耦合模型如图2所示。

L, C# #

"

2

图

2互感耦合模型3Ui[ (

(〇M) 2

+j (

{〇

Li __〇— __〇—)

R

l ]

4RL +jB

3

l3 = _jR

l

Ui/

c〇

Cf4)

^R

l +JB

MUiCf

^R

l +JB

设系统的输人功率和输出功率有效值分别为和

则由式(4)可得

Pm'

槡槡2

⑷4 + (吨

————)2

r2

l

_

rrrr\__

~~

II—

7$

rl

> <■#!$/" p _

3

1—

nrm,_out

—mm

—1槡A2

R2

l +

B2

R _

RL(M/—)2

l

(j |2

R

l _

arl +

b2 1

Ui

因此,

LCC-

C耦合模型的传输效率为(5)

(6)2

其中，一

动势，为输人电压角频率。

1.2 系统输出功率与传输效率分析

根据等效电路可以列出

KVL方程，由图2可得

(jLf +

jr) 3 +

jr 3 二

Ui

wCf

wt

f

<

j—3 + (

j— +

j— +

jo 3 - jM/3 =〇 ⑴

JwCf

jwCf

jwCi_

P〇m_2

R

l(

M/—)2 ^

V~

Pm~ (

A2

R

l

jB2 )12

[(

wM)4+(

wLi————)

r2

l] 2 (7)

由模型的输出功率和传输效率的理论表达式可以看

出，

P„^

Bn的是由多种因素共同决定的。但给定一组线

圈，很多值便是确定的，只要改变其他几个参数，就会对系

统产生影响。

—W

m3

+(R

l +

jwL2 +

」—)3 _〇

jw—

将式（1)用矩阵形式表示，得

丄 丄

jw— jw— +jw— jjw

1

0 — wM—wM

R

l(33

(Ui

)

3_

0

V

3 J

v0

J

()2线圈设计与仿真

2.1 线圈设计与调优

现在市场上的起搏器主要是以美敦力为主，代表着整

个行业的最高水平。起搏器的尺寸长度在42.9~52.3mm

内

，宽度一般在402 ~45

.4mm

，高度为7

.5mm

。因为起搏

器内电池会占据大概

12的空间，因此接收线圈的尺寸可

以控制在25 mm X25 mm

的范围内。

在HFSS

中对传输系统进行建模，线圈结构如图3

所