一种可植入光遗传电路中无线供电抑制EMI 方法*

2024-02-17吉彦平李嘉伟柴东林赵伯言赵燕冉王诗睿王文思郑梦沂

电子技术应用 2024年1期

吉彦平，李嘉伟，柴东林，赵伯言，赵燕冉，王诗睿，王文思，郑梦沂

（1.北京工业大学光电子技术教育部重点实验室，北京 100124；2.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 100096；3.中国政法大学社会学院，北京 100091）

0 引言

近20 年来神经调控技术蓬勃发展，已形成了深脑刺激（Deep Brain Stimulation,DBS)、迷走神经刺激（Vagus Nerve Stimulation，VNS）、骶神经刺激（Sacral Nerve Stimulation,SNS)和脊髓外周神经刺激（Spinal Cord Stimulation，SCS）等不同靶点的电刺激技术，分别用以治疗帕金森氏症、癫痫、神经性尿失禁、顽固性或癌性疼痛等神经系统问题，缓解患者的痛苦[1]。而基于脑机接口技术（Brain Computer Interface，BCI）的脑科学相关研究以及神经退行性病变的神经调控研究也进入了新阶段[2−3]，前者深入至视觉、记忆、思维和意识形成的机制研究，后者则在阿尔兹海默症（AD）和渐冻症（ALS）等方向逐步推进。伴随着BCI 研究的深入，以光遗传学技术为代表的新型研究工具也在逐渐成型。

光遗传学中硬件的核心部件为光源的设计和控制电路以及供电电路。最初的光遗传学研究中以激光器为核心光源，激光器可以对目标神经元进行刺激[4]；但传统的激光器因光线、体积以及有线设计等特点而限制生物体实验及其生物体自由活动范围；同时，光遗传学的研究也逐渐走向长期植入调控、无线、多核团刺激等多方面。在这种情况下，需要一种小型化、无线化、长期在体、轻量化的光遗传刺激硬件，这样可以很大程度上提高光遗传的实验方便性，可以将光遗传的研究应用到很多神经退行性疾病当中。而国内众多研究团队已经开始了无线光遗传的研究[5−7]，在无线光遗传中植入电路的供电部分大多采用电池供电[8]。对于长期植入生物体研究中需要定期更换电池，这对生物体来说将带来一定的痛苦，因此需要一种可植入的长期无线供电的硬件结构。

无线供电技术包括磁感应式[9−11]、磁耦合谐振式[12−14]、微波辐射式和激光式[15−16]，而对于生物安全性上，受工作频率的影响，微波辐射式和激光式对生物安全影响最高，磁耦合谐振式最低，但磁耦合谐振式随着频率的提高，对生物安全的影响越来越大。在研究分析上，采用微波式一般要考虑生物安全性，采用磁耦合谐振式一般不考虑生物安全性，需要根据工作频率和传输效率对安全影响进行分析。综合几种无线能量传输技术的优缺点，磁耦合谐振式无线能量传输技术同时满足植入式脑机接口电路的设计要求以及医学应用。

磁耦合谐振式无线能量传输技术最早可以追溯到十九世纪，而在这发展过程中，以奥克兰大学的BOY J T 教授带领的团队为代表，他们建立了一套完整的研究体系，分别从供电电源，线圈结构，能量与信号的同步通信，一、二次侧的电路拓扑结构和接收端的电源管理等方面做了一些研究工作[17−19]。之后美国斯坦福大学的John S 研究团队发现了一种植入到人体深部组织的无线能量传输系统，解决了电能获取、蓄能、传输以及线圈大小对刺激深度和聚焦性的影响问题，证明了这种谐振式无线能量传输技术在生物体能的安全性，并将其系统操作深度达到10 cm[20]。相比于国外的发展，国内针对这项技术也已经达到了先进的水平。上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系的颜国正教授带领的研究团队对肠道内窥镜机器人的无线能量传输系统进行了多年的研究，他们对线圈以及电路不断优化而达到节省空间的同时也提高了接收能量和传输效率[21−23]。香港大学以Xing Li 为首的课题组在接收端整流电路的设计以及数据通信方面取得了进展[23]，他们研究了可重构谐振调节整流器和无线功率控制器在植入式电路的无线能量传输系统的应用，最终所测的最大接收功率和效率分别是102 mW 和92.6%。

然而，由于无线能量传输系统在传播过程中需要借助磁耦合将发射侧的电能转化成高频磁场，磁场是无线能量传输系统传输电能的介质，其带来的电磁辐射EMI(Electromagnetic Interference)问题将给公众的人身安全带来严重的威胁[24−25]。EMI 直译为电磁干扰，有传导干扰和辐射干扰两种，传导干扰是通过电源线发射电磁场进行的干扰，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，大体包括谐振线圈、驱动电路中的开关器件、控制线和电磁敏感器件，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有源植入式电路的电磁辐射界限。目前国内大多学者对无线能量传输的电磁兼容机理的研究都是基于谐振状态下的[26−27]，谐振式无线能量传输系统工作频率往往在1 MHz到20 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，由于环境因素、负载变动、线圈偏移或线圈过耦合等因素都会导致WPT 系统脱离原有预期的工作状态，发出不该有的电磁波，进而对外界形成电磁干扰。当WPT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产生的磁场存在交替变化的情况，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，它们的辐射是相互消弱的。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小几个量级，但由于两迹线共模电流方向相同，两迹线的共模电流引起的辐射场是相互叠加的，会比差模电流产生更大的辐射，因此需要抑制共模辐射。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，在放大器中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。

针对上述问题，本系统设计了一种展频和抑制共模电磁干扰的无线能量传输电路。该电路结构可以有效抑制电磁辐射(EMI)信号,可以有效实现体内植入的需求。

1 系统电路

1.1 系统电路工作原理

针对将光遗传技术应用到生物体行为相关的神经调控领域，本系统设计了一种无线能量传输系统硬件，系统整体结构如图1 所示，整个系统分为两部分，体外发射电路和体外发射线圈，体内植入电路为体内接收线圈和体内接收电路。对两部分电路设计了外壳，满足植入的基本要求。整个体内与体外之间的间距在10 mm以内。同时，本系统所用的体内和体外的线圈采用手工绕制，根据植入的部位要求线圈尺寸不能太大，线圈柔软度要求合适，由此本文制作的线圈外径设计为24 mm，内径设计为17 mm，每匝线径为0.5 mm，每匝线间隙0.5 mm，一共四匝，通过阻抗分析仪测试得到的阻抗值是0.68 μH，发射线圈的谐振耦合需要接收线圈的共同设计。在实践活动中需要制作大量的这类线圈，在制作线圈的实践活动中，每匝铜线都要按照磨具进行环绕，然后用硅胶进行注塑、压平。线圈的两个端子都要镀锡，做成的具体形状如图2 所示。

图1 系统整体结构图

图2 植入式无线能量传输线圈图

1.2 系统发射电路和接收电路模型设计

系统发射电路采用E 类功率放大器，它采用单管放大并具有固定的电路结构，通过选取合适的负载电路参数，使得开关晶体管满足零电压开关ZVS 条件和零电压导数开关ZDS 条件,从而瞬态响应效果最佳。这就可以减小在开关状态转换之间的功率损耗，克服了D 类功率放大器的缺点。E 类放大器以其结构简单、效率高、可设计性强等优点得到了广泛的应用，其理论效率可达100%，实际效率达95%。在E 类功率放大电路中，并联电容的作用十分重要，它主要用来保证在晶体管截止的时间里，使集电极电压保持十分低的一个值，直到集电极电流减小到零为止。集电极电压的延迟上升，是E 类功率放大器高效率工作的必要条件。本系统设计的E类放大器的电发射路模型如图3（a）所示，采用LTspice进行设计与仿真。

图3 系统电路模型

图3（a）中包括直流输入电源V1、扼流电感、开关管M1、L2-C3 串联谐振滤波电路和负载阻抗。其中，扼流电感有较高的交流阻抗，允许V1 中的直流通过，起到稳流的作用。器件的输出电容与开关并联。开关管M1 在射频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，从而使得基频信号传输到负载，其作用就是保持输出信号为正弦信号。在电路分析之前，首先假设扼流电感是纯感性的，没有电阻存在，这样就可以只允许电源中的直流成分通过；串联谐振滤波电路的品质因数足够大以保证输出的是正弦信号；开关管M1 的导通电阻为零且通断是在瞬间完成的；除此之外，开关管的寄生电容也假设是恒定的，并且开关管M1能够承受短时间的反向电压电流。在设计E类功率放大器时，为了得到高效率，也就是说降低开关管在开关转换状态下带来的功率损耗，必须满足零电压导通（ZVS)条件。发射电路仿真波形如图3（b）所示，接收电路仿真波形如图3（c）所示。

然后，在无线能量传输仿真过程中，往往在理想状态下还是不能完全达到想要的结果，尤其在图3（c）中接收电路模型波形中，出现了轻微的畸变，这些都是电磁辐射造成的。因此需要对WPT 系统的电磁辐射进行抑制，除了采用传统的方式方法外，还需要针对WPT 系统中特有的辐射问题，采用特殊的手段来解决。常用的电磁辐射抑制的方法有很多类，通常采用的有：(1)在相关环节增加滤波电路；(2)对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，能够减小一部分电磁辐射，但是想要从根源上解决WPT系统的电磁辐射问题，需要从时钟上入手。而展频技术的运用则可以有效地从辐射源源头抑制谐波噪声。通过改变载波频率的方式，使得谐波噪声和基波的功率谱密度分布在更宽的频率范围内，改善空间电磁场的频率谱，进而有效抑制了高次谐波分量。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，而这种周期信号的频谱是离散型的，它的能量集中在基波及倍频谐波上。展频技术在这方面采用的原理就是在不影响系统输出的情形下，通过调制谐振开关信号的某些参数，扩展系统中电压或电流的谐波频谱，降低其对外电磁干扰水平。而另一方面，谐振式无线能量传输系统的辐射主要为共模辐射。因此，抑制共模辐射的有力措施就是共模电感。共模电感，也叫共模扼流圈，常用于开关电源中过滤共模的电磁干扰信号，也可以起EMI 滤波的作用，用于抑制信号线产生的电磁波向外辐射发射。根据本系统设计的这两种抑制EMI 的方法，设计了硬件电路，并就硬件电路进行了实际的测试。

2 系统发射电路和接收电路设计

2.1 系统发射电路设计

系统电路图如图4 所示，其中发射电路设计如图4（a）所示，图4（b）为发射电路的PCB 版图设计。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的对比，最终采用ECS 生产的晶振作为时钟源。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−30℃至85℃。它频率精度高，具有0.5 ppm～2.0 ppm 性能，时钟更稳定。在同类产品中ECS 晶振体积小，功耗低，晶片表面更光洁，可以很好地降低谐振电阻，提高Q 值。通过采用韬略公司的展频芯片SSDCI1108AF 设计了展频电路，在图4（a）的下半部分电路中。展频芯片SSDCI1108AF 采用三角形调制曲线对晶振发出的脉冲频率进行了抖动扩频调制。频率抖动是指开关频率在一定范围内围绕中心频率来回变化。图5 为采用频率抖动技术后，近场频谱仪测试得到的基频处频谱。其中心频率为13.56 MHz。开关频率先从11.865 MHz 递增到15.255 MHz，再从15.255 MHz递减到11.865 MHz，步长为0.425 MHz，循环往复。从图5 可以看出，采用频率抖动技术后，开关信号的频谱依然是离散的。这种技术通过软件手段将信号集中的能量分布在更多的频线上，消减了基频和倍频处的峰值，降低了对外的电磁干扰水平。

图4 系统电路图

常规三角波斜率是恒定的，每个频率点出现的概率都是一样的。因此，锯齿波调制后频谱特征是能量分布比较平坦。在测量频谱方面分为近场测试和远场测试。近场测试常采用频谱仪作为测试手段，但只能探究倍频多次谐波产生的位置，而没有定量的数据。远场测试常采用3 米暗室法进行测量，可以得到定量的数据，进行数据分析对比，也被认定为产品获得EMI 合格的标准数据，所以远场测试的数据更可以理解为真实的数据。远场测试谐振式无线供电系统辐射EMI 标准测试如图6所示。3 米暗室法是远场测试常采用的方法，北京都兴科思检测技术有限公司拥有国家标准的电磁兼容实验室，可以对无线供电系统的电路的电场辐射EMI 噪声进行测试。

图6 谐振式无线供电系统辐射EMI 标准测试

依据YY9706.102.2021 植入式集成电路标准，该谐振式无线充电系统电路在没有展频芯片SSDCI1108AF接入的情况下辐射测试结果如图7 所示。如图7 所示，电路测试时，设备在135.536 MHz 到230.499 MHz 的频率范围内，EMI 噪声显著超出标准基线，最高点达到了55.92 dBμV/m，超出标准线15.92 dBμV/m，造成了对周围环境的显著干扰。当接入展频芯片以后，再进行同样的测试，结果如图8 所示。

图7 未接展频芯片测试结果

图8 接入展频芯片测试结果

如图8 所示，设备在148.120 MHz 到215.395 MHz 的频率范围内，EMI 噪声超出标准线。和没有接入展频芯片相比频率范围明显缩小。最高点达到了47.06 dBμV/m，超出标准基线7.06 dBμV/m，相比之前降低了8.86 dBμV/m，抑制EMI 的效果非常明显。可以看到加入展频芯片以后单点的频点被拉宽，分散了大部分集中的功率，从根本上抑制了EMI 的噪声。

2.2 系统发射电路谐波抑制设计

根据前面介绍，谐振式无线能量传输系统的辐射主要为共模辐射。因此，抑制共模辐射的有力措施就是共模电感。共模电感，也叫共模扼流圈，常用于开关电源中过滤共模的电磁干扰信号，也可以起EMI 滤波的作用，用于抑制信号线产生的电磁波向外辐射发射。共模电感本质上就是两个共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制反向)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。

但是，滤除不同频段的噪声，需要的共模电感品种也不相同。植入谐振式无线能量传输电路要求接入的共模电感体积小，精度高。因此，选用宝仁弘生产的型号为CHOK4532S282A09T 的共模电感，它具体的频率特征如图9 所示。

图9 共模电感特性曲线

根据图9 共模电感的特性曲线，可以看出在100 MHz～200 MHz 的频段，共模电感呈现1 kΩ 以上的高阻性，对于谐振式无线能量传输系统在148.120 MHz 到215.395 MHz 的频段的电磁波辐射能够明显抑制。在电源传输线上接入共模电感后，再进行电场辐射EMI 噪声测试，结果如图10 所示。