专利名称：具有内部电力输送的设备的制作方法像起搏器或深部脑刺激系统这样的医疗植入物是其中必须从DC电力储存装置 (电池)向电力消费电路输送电力的电子设备的典型实例。由于其操作在潮湿环境中，因此当植入物的电子组件与湿气接触时，必须小心避免电解之类的有害效应。在US 3 888 260 中这是通过为植入物提供双重气密密封而实现的。但是当在其使用寿命的末期应当更换植入物的电池时，就难以在不永久性破坏这样的密封的情况下这样做。
基于以上背景，本发明的一个目的是提供即使在成问题的环境中(例如暴露于湿气时)也允许DC电源与电子电路之间的安全能量输送的措施。所述目的是通过根据权利要求1的电子设备和根据权利要求2的方法实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。根据本发明的电子设备包括以下组件a) “电源模块”，其包括DC (直流)电源和(通常是至少两个)电力输出端子，所述电力输出端子即DC电源可以借之向消费装置提供电能的电接触件。b) “消费模块”，其包括(通常是至少两个)电力输入端子(消费模块可以借之接收电能)以及电力消费电子电路。根据所述电子设备所针对的目的，电子电路的性质和设计可以有很大的不同。c)连接器，借之将相应的电力输出端子和电力输入端子可逆地电连接。所述连接器例如将具有插头一插座类设计，其具有相应的公和母接触件，正如现有技术中已知的那样。但是应当提到的是，只要实现所期望的能量输送，端子和连接器的实现方式可以有很大的不同。因此，端子还可以通过设备的外壳来实现，或者连接器可以包括电力输出与电力输入端子之间的仅仅是电容性的耦合。d) DC - AC转换器(其也被称作“DC逆变器”)，其在电源模块中被设置在DC电源与电力输出端子之间。DC— AC转换器接收电源的DC电压以作为输入，将该DC电压转换成 AC (交流)输出电压，并且将该输出电压提供到电力输出端子。在另一方面，本发明提供一种用于Mii连接器将电力丛具有DC电源和电力输出端子的电源模块输送迴具有电力输入端子和电力消费电子电路的消费模块的相应方法，其中所述连接器用于连接相应的电力输出端子与电力输入端子，所述方法包括以下步骤a)借助于DC- AC转换器将DC电源所提供的DC电压转换成AC电压；b)将所述AC电压提供到电力输出端子。在另一方面，本发明提供一种用在根据本发明的设备中的电源模块，其包括a)DC电源；b)电力输出端子；以及c)设置在DC电源与电力输出端子之间的DC- AC转换器。所描述的电子设备中的电源模块和所述方法将由可用DC电源提供的DC电压转换成AC电压，所述AC电压随后又通过连接器被输送到消费模块。使用连接器的优点在于，例如在应当用新的电源模块替换耗尽的电源模块时，可以容易地将电源模块与消费模块彼此分开。与此同时，通过在连接器端子处只具有AC (而不是DC)电压，在潮湿环境中可能进入连接器的导电湿气的有害效应得以最小化。下面将描述同时涉及前面所描述的电子设备和方法的本发明的各个优选实施例。电源模块中的DC电源可以是能够提供DC电压和/或电流的任何种类的器件。其例如可以包括从环境中(例如通过体热)采集DC电力并且将其提供给消费模块的装置，在消费模块中，能量被消费和/或储存(例如储存在电池中)。在大多数情况下，DC电源将包括从中获取电力的能量储存装置。该储存装置例如可以是(高容量)电容器。最为优选的是， 所述储存装置是其中以电化学方式储存电能的电池，其中既可以使用可再充电的电池也可以使用一次性电池。电源模块的除了电力输出端子之外的部件以及/或者消费模块的除了电力输入端子之外的部件优选地被密封，即被设置在防止外部的湿气和/或灰尘进入的封装内。这使得所述模块适于应用在潮湿环境中。在本发明的另一个优选实施例中，将电容器(其被称作“阻断电容器”)设置在 DC — AC转换器与相应的电力输出端子之间。所述阻断电容器防止DC电压出现在两个电力输出端子之间，从而使得即使在其电子电路中发生故障的情况下电源模块也仍然是安全的，这是因为绝对不可能出现DC电压，并且因此在所述端子处不可能发生电解之类的有害效应。由DC — AC转换器提供到电力输出端子的AC输出电压的频率的范围优选地处于 IHz到IMHz之间。适当的数值可以被选择为使得应当在其中使用电子设备的特定环境中的有害效应(例如电解)最小化的频率。根据本发明的另一项发展，所述DC — AC转换器可以采取具有脉冲活动的“脉冲操作模式”。在该操作模式下，DC - AC转换器令其将DC电压转换成AC电压并将后者提供到电力输出端子的阶段与其不转换DC电压的阶段(电力输出端子在这些阶段期间优选地接地)交替。应当提到的是，与活动阶段期间的AC电压改变相比，脉冲操作是发生在较高水平 (具有较低频率)上的交替。所提出的DC - AC转换器的脉冲操作的优点在于，可以把电力输送的关键时段集中到活动阶段，从而为诸如泄漏电流之类的负面效应的发生留下更少的时间。根据前面提到的实施例的另一项发展，DC - AC转换器在脉冲操作模式下的活动阶段长到足以为消费模块中的中间电力储存装置(例如电容器)充分地充电(即充电到其容量的多于大约80%，优选地多于90%)。随后可以从所述中间电力储存装置为消费模块中的电子电路连续地供应电力，同时没有必要经由连接器在关键路线上存在连续的电力输送。取决于其具体设计，消费模块的电力消费电子电路通常将需要AC电力或DC电力来进行其操作。在第一种情况下，由DC — AC转换器提供的AC电压可以被消费模块中的电子电路直接使用，或者在附加的(AC)转换之后被其使用。在本发明的一个优选实施例中，消费模块中的电力消费电子电路需要DC电压，并且所述设备附加地包括设置在消费模块的电力输入端子与电力消费电子电路之间的AC - DC转换器。在这种情况下，从DC到AC的转换仅仅是作为用以通过连接器提供安全电力输送的中间步骤而进行的。根据前面提到的设计的另一项发展，所述设备包括连接AC - DC转换器的输出的电容器(其被称作“保持电容器”)。保持电容器可以平滑掉残留的AC分量并且桥接AC - DC 转换器的输出中的开关时间。此外，保持电容器可以作为中间电力储存装置操作，正如前面结合电力输送的脉冲操作模式所提到的一样。电源模块的DC - AC转换器可以可选地被设计成使其基本上提供方波输出电压。 在这种情况下，AC输出电压可以容易地被再次转换成DC电压，这是因为只需要在方波电压的变迁时切换极性。尽管使用AC电压帮助使得湿气对连接器的可能污染的负面效应最小化，但还可以采取进一步的措施来完全避免这样的污染。因此优选的是，所述连接器包括排斥湿气的疏水材料。附加地或替换地，所述连接器在其处于已连接状态时应当基本上没有空隙，其中 “基本上”意味着剩余的空隙由于制造容限、材料变化等等实际上是不可避免的。通过最小化空隙直接限制了能够由可能有害的湿气所填充的容积。此外，可以可选地为所述连接器提供冗余接触件，以便即使在一些接触件发生故障的情况下也确保安全的操作。根据本发明的一个优选实施例，所述电子设备是可植入式医疗器件，例如心脏起搏器或深部脑刺激(DBS)系统、外科手术工具或者可摄取电子产品(其被称作“电子药品”或 “电子药片”)。这些电子器件暴露于潮湿的和电化学活性的环境中，所述环境可能与该设备的电子组件发生接触。与此同时，在这些情况下的安全性要求当然非常高，这是因为任何故障都可能直接威胁患者的健康。本发明提供一种针对上述两难困境的有利解决方案，其确保安全的电力供应并且同时允许在必要情况下容易地更换电池。根据另一个实施例，本发明的电子设备可以是消费电子产品，特别是媒体播放器或记录器(例如CD播放器、MP3播放器、视频设备、数字或模拟摄影机)、蜂窝电话、计算器、 测量器件(例如户外距离或温度测量器件)、工具(钻机或螺丝刀)、用于管线的装备(例如用于流量测量)、剃刀、由驾驶员使用的装备等等。


参照下面描述的(多个)实施例，本发明的前述和其他方面将变得显而易见并且将对其进行阐述。这些实施例是借助于附图以举例的方式描述的，其中
图1示出了根据本发明的电子设备的电路图； 图2示出了图1的电路图的一种变型，其中附加地考虑了泄漏电阻； 图3示出了图2的电路图的一种变型，其中附加地存在阻断电容器； 图4示出了被提供给图1的DC — AC转换器中的各个晶体管的可能控制信号； 图5示出了脉冲操作模式下的图1的DC — AC转换器的输出电压。
相同的附图标记指代完全相同的或类似的组件。

图1示意性地示出了根据本发明的电子设备I，其例如是深部脑刺激(DBS)系统之类的植入物。植入物I包括“电源模块”SM，其具有电池B以用于通过(较小的)内部(电池) 电阻Rb提供DC电压Vb，其中电源模块关于环境被气密密封。电池B可以是可更换电池。 根据本发明，通过包括四个晶体管Ml - M4的全桥功率级将电池B的DC电压转换成AC电压。所得到的AC电压被提供到电源模块SM的两个电力输出端子TOl和T02。所述输出端子以相反的极性Vb+和Vb-在近似接地与电池电压Vb之间交替。所述电源模块被设置成使其可以被用在电子设备中，并且在必要时可以将其作为完整的模块来更换。这通常可能发生在所包括的电池B正接近其使用寿命末期的时候。电源模块可以被视为关于电子设备的独立组件。电源模块被气密密封，以便耐受该电源模块将被置于其中的电子设备内部的环境。电源模块可以可选地装备有第一“连接器组件”(例如插座或插头)，其被适配成与相容的第二“连接器组件”形成连接器，以便可以将电力输出端子可逆地连接到相应的端子。该第二“连接器组件”于是被提供在电子设备内部，从而使得电源模块可以被放置到电子设备中，并且使得第一连接器组件与第二连接器组件形成连接，通过所述连接向电子设备的电路提供电力。晶体管Ml —M4由发电机G (图1中未示出)控制。发电机G在图4中与对应于各个晶体管的示例性控制电压VP1、VNU VP2、VN2 一起单独示出。在图1中，晶体管Ml和 M2是NMOS晶体管，其在栅极电势分别Wl或VN2分别为“高”时(即大于其阈值电压；栅极通常在0与电池电压Vb之间切换)导通。晶体管M3和M4是PMOST晶体管，其在栅极电势 VPl和VP2分别为“低”时(即通常接地)导通。所述晶体管例如可以利用下面的“高”(H) 禾口 “低” (L)电压序列来驱动(VP1，VN1;VP2，VN2) = (H，H;L，L)、(L，L;H，H)等等。在图4中示出了另一个序列，其中控制电压是利用非重叠时钟生成的，以避免全桥功率级中的短路电流。在这种情况下，存在其中所有晶体管都不导通的较短时段。相应的电压序列是(其中H’、L’表示当所有晶体管都不导通时的“高”和“低”电压水平) (VP1, VNl ； VP2, VN2) = (H, H; L, L) > (H，，L，；H，，L，)、(L，L，H，H)、(H，，L，，H，，L，)。植入物I还包括连接器C，其中电源模块SM的输出端子Τ01、Τ02分别可逆地接触 “消费模块”CM的电力输入端子ΤΙ1、ΤΙ2。连接器C通常不是完全密封的，因此将允许(导电)湿气进入，从而导致端子之间的泄漏电流。这在图2中由泄漏电阻Rlk表示。如果经过斩波的电池电压(Vb+，Vb-)是对称的(即50%占空比)，则其DC分量为零。 此外，如果斩波频率f。h。P=l/T。h。p足够高(几十Hz到kHz )，则当湿气已进入连接器时，连接器端子处的电解得以避免。已经提到的消费模块CM包括AC - DC转换器，其具有包括四个二极管Dl — D4的桥接器和保持电容器ch。所述二极管桥接器对电力输入端子Til、TI2所提供的AC电压进行整流。保持电容器Ch可以很小，这是因为其只需要在(同步)整流器不递送任何电力的开关瞬态期间为电子装置供应能量。因此几乎不需要牺牲宝贵的植入物容积。二极管整流器Dl - D4的DC输出电压被进一步提供到其中实现植入物的适当功能(例如经过调度的到神经组织的刺激脉冲递送)的电力消费电子电路EC。植入物的电子装置的电子电路EC所消耗的电力由两端电压为(Ve+，Ve-)的电阻器Re建模。二极管桥接器Dl - D4两端的电压降对于低电池电压Vb变得显著。在这种情况下，可以应用具有小得多的电压降的(全波)同步整流器来改进总体电力效率。这样的整流器可以基本上被描述为当电流开始流经每一个二极管时包括与该二极管并联的附加晶体管(参照 Μ. I. Mihaiu 的“Toward the ‘Ideal Diode，using power MOSFET in full wave synchronous rectifiers for low voltage power supplies，，，SPEEDAM 2008, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion)。当生物流体(含盐溶液)进入连接器C时，(交流)泄漏电流开始在连接器端子之间流动，其由图2中的泄漏电阻Iilk表示。这对于电池B来说是额外的负载，并且因此电力输送的效率会降低。通过连接器的适当机械设计(疏水材料、不导电生物相容填充物并且只允许窄捷径中有湿气)来增大泄漏电阻I^lk的数值可以最小化前面提到的效应。在另一种方法中，通过对电力输送进行占空比调节而以电子方式减少泄漏损耗。 下面将参照图5对此进行描述，该图示出了在发电机G的“脉冲操作模式”下出现在图2的电路的一个电力输出端子TOl处的典型输出电压。所述输出电压包括以频率1/T。h。p重复的矩形脉冲串。所述脉冲串是在充电阶段TaJ月间提供的，随后是其中全桥功率级不发生切换的无活动阶段(举例来说，所述功率级可以被设定在其中电力输出端子T01、T02既不连接到电池B也不连接到接地(即所有晶体管都不导通)、输出端子TOl、T02全部连接到接地或者全部连接到电池B的状态)。在一个电力输送循环的持续时间Tp之后是新的充电脉冲串。应当提到的是，图5中的每一个充电时段的脉冲被显示为指数增大。这是因为在充电时段期间，保持电容器的充电电流随时间指数变化，并且每次输出端子TOl连接到电池时(即晶体管M4导通)，该指数衰减的电流就导致电池B的内部电阻Rb和晶体管M4的输出电阻两端的指数变化的电压。因此，所述脉冲表现出朝向电池电压Vb的指数增大。此外还应当提到的是，图5中的坐标系的原点对应于图4中所标明的原点(这是因为VP2和VN2在t=0之后立即为“高”，图5中的Vb+端子开始为“低” /接地)。可以在较小的时间常数τ ch下非常快速地对消费模块CM中的保持电容器Ch进行充电，同时保持电容器在大得多的时间常数、(ReCh)下由电子装置EC放电。因此，斩波时段T。h。p可以被取为几个充电时间常数τ ch,并且在几个斩波时段之后，在时间Ta ^ Tchop 期间，保持电容器Ch将被完全充电(因为这将花费近似5个充电时间常数)。应当提到的是，斩波时段T。h。p还可以被取为小于单个时间常数τ。h(这种情况可能对于高斩波频率发生)，在这种情况下保持电容器Ch在每一个斩波时段期间仅仅被略微充电。无论如何，如果有效充电时间Ta被取得足够长，也就是说有足够数目的时间常数xa， 则保持电容器将仍然被完全充电。因此，斩波时段可以独立于时间常数Ta而被选择。对于电力输送时段Tp的剩余的无活动阶段，全桥DC— AC转换器的所有开关Ml — M4都可以被保持断开，或者电池输出端子可以接地(通过Ml和M2)。应当提到的是，如果所述端子被接地，则将没有电流流经二极管整流器；但是如果应用了另一种类型的整流器，则必须采取预防措施以防止将保持电容器短路。因此，电力输送时段Tp应当优选地被取成远远大于有效充电时间Tch (其常常是分别几个充电时间常数τ。h的几个斩波时段T。h。p)，但是也远远小于放电时间常数、，也就是
说 W<Te。
否则，效率增益将再次由于保持电容器Ch上的电压波纹而丢失，这一点也可以从根据下式的电力输送效率η明显看出(Rleak=Rlk):


本发明涉及一种具有DC电源(B)和电力消费电子电路(EC)的电子设备(I)以及一种在这些组件之间输送电力的方法。所述电源(B)的DC电压被转换成AC电压，所述AC电压随后通过连接器(C)被输送到电子电路(EC)。因此，由于来自环境的湿气对连接器(C)的污染而导致的负面效应可以被最小化。本发明特别适用于可植入式器件，这是因为其允许通过非密封的连接器(C)将可更换电池(B)与电子电路(EC)耦合。