吉彥平，李嘉偉，柴東林，趙伯言，趙燕冉，王詩睿，王文思，鄭夢沂

（1.北京工業(yè)大學 光電子技術教育部重點實驗室，北京 100124；2.華北電力大學 控制與計算機工程學院，北京 100096；3.中國政法大學 社會學院，北京 100091）

0 引言

近20 年來神經(jīng)調(diào)控技術蓬勃發(fā)展，已形成了深腦刺激（Deep Brain Stimulation,DBS)、迷走神經(jīng)刺激（Vagus Nerve Stimulation，VNS）、骶神經(jīng)刺激（Sacral Nerve Stimulation,SNS)和脊髓外周神經(jīng)刺激（Spinal Cord Stimulation，SCS）等不同靶點的電刺激技術，分別用以治療帕金森氏癥、癲癇、神經(jīng)性尿失禁、頑固性或癌性疼痛等神經(jīng)系統(tǒng)問題，緩解患者的痛苦[1]。而基于腦機接口技術（Brain Computer Interface，BCI）的腦科學相關研究以及神經(jīng)退行性病變的神經(jīng)調(diào)控研究也進入了新階段[2?3]，前者深入至視覺、記憶、思維和意識形成的機制研究，后者則在阿爾茲海默癥（AD）和漸凍癥（ALS）等方向逐步推進。伴隨著BCI 研究的深入，以光遺傳學技術為代表的新型研究工具也在逐漸成型。

光遺傳學中硬件的核心部件為光源的設計和控制電路以及供電電路。最初的光遺傳學研究中以激光器為核心光源，激光器可以對目標神經(jīng)元進行刺激[4]；但傳統(tǒng)的激光器因光線、體積以及有線設計等特點而限制生物體實驗及其生物體自由活動范圍；同時，光遺傳學的研究也逐漸走向長期植入調(diào)控、無線、多核團刺激等多方面。在這種情況下，需要一種小型化、無線化、長期在體、輕量化的光遺傳刺激硬件，這樣可以很大程度上提高光遺傳的實驗方便性，可以將光遺傳的研究應用到很多神經(jīng)退行性疾病當中。而國內(nèi)眾多研究團隊已經(jīng)開始了無線光遺傳的研究[5?7]，在無線光遺傳中植入電路的供電部分大多采用電池供電[8]。對于長期植入生物體研究中需要定期更換電池，這對生物體來說將帶來一定的痛苦，因此需要一種可植入的長期無線供電的硬件結構。

無線供電技術包括磁感應式[9?11]、磁耦合諧振式[12?14]、微波輻射式和激光式[15?16]，而對于生物安全性上，受工作頻率的影響，微波輻射式和激光式對生物安全影響最高，磁耦合諧振式最低，但磁耦合諧振式隨著頻率的提高，對生物安全的影響越來越大。在研究分析上，采用微波式一般要考慮生物安全性，采用磁耦合諧振式一般不考慮生物安全性，需要根據(jù)工作頻率和傳輸效率對安全影響進行分析。綜合幾種無線能量傳輸技術的優(yōu)缺點，磁耦合諧振式無線能量傳輸技術同時滿足植入式腦機接口電路的設計要求以及醫(yī)學應用。

磁耦合諧振式無線能量傳輸技術最早可以追溯到十九世紀，而在這發(fā)展過程中，以奧克蘭大學的BOY J T 教授帶領的團隊為代表，他們建立了一套完整的研究體系，分別從供電電源，線圈結構，能量與信號的同步通信，一、二次側的電路拓撲結構和接收端的電源管理等方面做了一些研究工作[17?19]。之后美國斯坦福大學的John S 研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種植入到人體深部組織的無線能量傳輸系統(tǒng)，解決了電能獲取、蓄能、傳輸以及線圈大小對刺激深度和聚焦性的影響問題，證明了這種諧振式無線能量傳輸技術在生物體能的安全性，并將其系統(tǒng)操作深度達到10 cm[20]。相比于國外的發(fā)展，國內(nèi)針對這項技術也已經(jīng)達到了先進的水平。上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器科學與工程系的顏國正教授帶領的研究團隊對腸道內(nèi)窺鏡機器人的無線能量傳輸系統(tǒng)進行了多年的研究，他們對線圈以及電路不斷優(yōu)化而達到節(jié)省空間的同時也提高了接收能量和傳輸效率[21?23]。香港大學以Xing Li 為首的課題組在接收端整流電路的設計以及數(shù)據(jù)通信方面取得了進展[23]，他們研究了可重構諧振調(diào)節(jié)整流器和無線功率控制器在植入式電路的無線能量傳輸系統(tǒng)的應用，最終所測的最大接收功率和效率分別是102 mW 和92.6%。

然而，由于無線能量傳輸系統(tǒng)在傳播過程中需要借助磁耦合將發(fā)射側的電能轉化成高頻磁場，磁場是無線能量傳輸系統(tǒng)傳輸電能的介質，其帶來的電磁輻射EMI(Electromagnetic Interference)問題將給公眾的人身安全帶來嚴重的威脅[24?25]。EMI 直譯為電磁干擾，有傳導干擾和輻射干擾兩種，傳導干擾是通過電源線發(fā)射電磁場進行的干擾，輻射干擾是干擾源向空間發(fā)射電磁場進行輻射干擾。在無線能量傳輸系統(tǒng)中干擾源是多樣的，大體包括諧振線圈、驅動電路中的開關器件、控制線和電磁敏感器件，都需要采用特定的方法進行抑制。YY9706.102.2021 相關醫(yī)用電磁兼容標準規(guī)定了有源植入式電路的電磁輻射界限。目前國內(nèi)大多學者對無線能量傳輸?shù)碾姶偶嫒輽C理的研究都是基于諧振狀態(tài)下的[26?27]，諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)工作頻率往往在1 MHz到20 MHz 之間，因此產(chǎn)生的干擾大多是近場輻射干擾，且通常收發(fā)兩側的線圈需完全對準。而實際應用過程中，由于環(huán)境因素、負載變動、線圈偏移或線圈過耦合等因素都會導致WPT 系統(tǒng)脫離原有預期的工作狀態(tài)，發(fā)出不該有的電磁波，進而對外界形成電磁干擾。當WPT系統(tǒng)為諧振狀態(tài)時，發(fā)射線圈與接收線圈上的電流存在90°的相位差，因此發(fā)射線圈與接收線圈產(chǎn)生的磁場存在交替變化的情況，此時空間中的電磁場由發(fā)射線圈中電流產(chǎn)生的磁場與接收線圈中電流產(chǎn)生的磁場疊加而成。磁場向外輻射又分為共模輻射和差模輻射。差模輻射是由成環(huán)的差模電流引起的輻射，在發(fā)射線圈和接收線圈中由于兩條相對跡線的電流方向相反，量值相同，它們的輻射是相互消弱的。因此差模電流本身盡管量值較大，但引起的輻射卻較小。共模輻射是共模電流產(chǎn)生的輻射，共模電流大小通常比差模電流小幾個量級，但由于兩跡線共模電流方向相同，兩跡線的共模電流引起的輻射場是相互疊加的，會比差模電流產(chǎn)生更大的輻射，因此需要抑制共模輻射。除了共模輻射干擾以外，開關器件產(chǎn)生的輻射干擾更應引起重視。通常發(fā)射線圈的驅動電路會采用非線性放大器作為設計核心，在放大器中的開關器件工作時會產(chǎn)生高頻脈沖電壓、電流，形成高頻噪聲，進而形成輻射干擾。

針對上述問題，本系統(tǒng)設計了一種展頻和抑制共模電磁干擾的無線能量傳輸電路。該電路結構可以有效抑制電磁輻射(EMI)信號,可以有效實現(xiàn)體內(nèi)植入的需求。

1 系統(tǒng)電路

1.1 系統(tǒng)電路工作原理

針對將光遺傳技術應用到生物體行為相關的神經(jīng)調(diào)控領域，本系統(tǒng)設計了一種無線能量傳輸系統(tǒng)硬件，系統(tǒng)整體結構如圖1 所示，整個系統(tǒng)分為兩部分，體外發(fā)射電路和體外發(fā)射線圈，體內(nèi)植入電路為體內(nèi)接收線圈和體內(nèi)接收電路。對兩部分電路設計了外殼，滿足植入的基本要求。整個體內(nèi)與體外之間的間距在10 mm以內(nèi)。同時，本系統(tǒng)所用的體內(nèi)和體外的線圈采用手工繞制，根據(jù)植入的部位要求線圈尺寸不能太大，線圈柔軟度要求合適，由此本文制作的線圈外徑設計為24 mm，內(nèi)徑設計為17 mm，每匝線徑為0.5 mm，每匝線間隙0.5 mm，一共四匝，通過阻抗分析儀測試得到的阻抗值是0.68 μH，發(fā)射線圈的諧振耦合需要接收線圈的共同設計。在實踐活動中需要制作大量的這類線圈，在制作線圈的實踐活動中，每匝銅線都要按照磨具進行環(huán)繞，然后用硅膠進行注塑、壓平。線圈的兩個端子都要鍍錫，做成的具體形狀如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

圖2 植入式無線能量傳輸線圈圖

1.2 系統(tǒng)發(fā)射電路和接收電路模型設計

系統(tǒng)發(fā)射電路采用E 類功率放大器，它采用單管放大并具有固定的電路結構，通過選取合適的負載電路參數(shù)，使得開關晶體管滿足零電壓開關ZVS 條件和零電壓導數(shù)開關ZDS 條件,從而瞬態(tài)響應效果最佳。這就可以減小在開關狀態(tài)轉換之間的功率損耗，克服了D 類功率放大器的缺點。E 類放大器以其結構簡單、效率高、可設計性強等優(yōu)點得到了廣泛的應用，其理論效率可達100%，實際效率達95%。在E 類功率放大電路中，并聯(lián)電容的作用十分重要，它主要用來保證在晶體管截止的時間里，使集電極電壓保持十分低的一個值，直到集電極電流減小到零為止。集電極電壓的延遲上升，是E 類功率放大器高效率工作的必要條件。本系統(tǒng)設計的E類放大器的電發(fā)射路模型如圖3（a）所示，采用LTspice進行設計與仿真。

圖3 系統(tǒng)電路模型

圖3（a）中包括直流輸入電源V1、扼流電感、開關管M1、L2-C3 串聯(lián)諧振濾波電路和負載阻抗。其中，扼流電感有較高的交流阻抗，允許V1 中的直流通過，起到穩(wěn)流的作用。器件的輸出電容與開關并聯(lián)。開關管M1 在射頻輸入范圍內(nèi)周期性地開啟和關閉。串聯(lián)諧振濾波電路工作在諧振頻率處，從而使得基頻信號傳輸?shù)截撦d，其作用就是保持輸出信號為正弦信號。在電路分析之前，首先假設扼流電感是純感性的，沒有電阻存在，這樣就可以只允許電源中的直流成分通過；串聯(lián)諧振濾波電路的品質因數(shù)足夠大以保證輸出的是正弦信號；開關管M1 的導通電阻為零且通斷是在瞬間完成的；除此之外，開關管的寄生電容也假設是恒定的，并且開關管M1能夠承受短時間的反向電壓電流。在設計E類功率放大器時，為了得到高效率，也就是說降低開關管在開關轉換狀態(tài)下帶來的功率損耗，必須滿足零電壓導通（ZVS)條件。發(fā)射電路仿真波形如圖3（b）所示，接收電路仿真波形如圖3（c）所示。

然后，在無線能量傳輸仿真過程中，往往在理想狀態(tài)下還是不能完全達到想要的結果，尤其在圖3（c）中接收電路模型波形中，出現(xiàn)了輕微的畸變，這些都是電磁輻射造成的。因此需要對WPT 系統(tǒng)的電磁輻射進行抑制，除了采用傳統(tǒng)的方式方法外，還需要針對WPT 系統(tǒng)中特有的輻射問題，采用特殊的手段來解決。常用的電磁輻射抑制的方法有很多類，通常采用的有：(1)在相關環(huán)節(jié)增加濾波電路；(2)對產(chǎn)生輻射的敏感元件，局部采用封閉的金屬外殼進行屏蔽；(3)對開關器件采用軟開關技術；(4)PCB 優(yōu)化布局抗干擾技術；(5)接地技術，將相關電路接地，形成等勢面。采用上述傳統(tǒng)的方法后，能夠減小一部分電磁輻射，但是想要從根源上解決WPT系統(tǒng)的電磁輻射問題，需要從時鐘上入手。而展頻技術的運用則可以有效地從輻射源源頭抑制諧波噪聲。通過改變載波頻率的方式，使得諧波噪聲和基波的功率譜密度分布在更寬的頻率范圍內(nèi)，改善空間電磁場的頻率譜，進而有效抑制了高次諧波分量。在WPT 系統(tǒng)當中，電磁場發(fā)生諧振只工作在單一某個頻點，往往發(fā)射線圈和接收線圈發(fā)出的是周期性的信號，而這種周期信號的頻譜是離散型的，它的能量集中在基波及倍頻諧波上。展頻技術在這方面采用的原理就是在不影響系統(tǒng)輸出的情形下，通過調(diào)制諧振開關信號的某些參數(shù)，擴展系統(tǒng)中電壓或電流的諧波頻譜，降低其對外電磁干擾水平。而另一方面，諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的輻射主要為共模輻射。因此，抑制共模輻射的有力措施就是共模電感。共模電感，也叫共模扼流圈，常用于開關電源中過濾共模的電磁干擾信號，也可以起EMI 濾波的作用，用于抑制信號線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。根據(jù)本系統(tǒng)設計的這兩種抑制EMI 的方法，設計了硬件電路，并就硬件電路進行了實際的測試。

2 系統(tǒng)發(fā)射電路和接收電路設計

2.1 系統(tǒng)發(fā)射電路設計

系統(tǒng)電路圖如圖4 所示，其中發(fā)射電路設計如圖4（a）所示，圖4（b）為發(fā)射電路的PCB 版圖設計。WPT 系統(tǒng)以13.56 MHz 為工作的主頻率，市面上很多廠家都會推出此頻點的有源晶振芯片產(chǎn)品，通過各廠家產(chǎn)品的性能的對比，最終采用ECS 生產(chǎn)的晶振作為時鐘源。ECS晶振本身具有溫度電壓控制功能，具有溫度補償作用，溫度穩(wěn)定性高，工作溫度為?30℃至85℃。它頻率精度高，具有0.5 ppm～2.0 ppm 性能，時鐘更穩(wěn)定。在同類產(chǎn)品中ECS 晶振體積小，功耗低，晶片表面更光潔，可以很好地降低諧振電阻，提高Q 值。通過采用韜略公司的展頻芯片SSDCI1108AF 設計了展頻電路，在圖4（a）的下半部分電路中。展頻芯片SSDCI1108AF 采用三角形調(diào)制曲線對晶振發(fā)出的脈沖頻率進行了抖動擴頻調(diào)制。頻率抖動是指開關頻率在一定范圍內(nèi)圍繞中心頻率來回變化。圖5 為采用頻率抖動技術后，近場頻譜儀測試得到的基頻處頻譜。其中心頻率為13.56 MHz。開關頻率先從11.865 MHz 遞增到15.255 MHz，再從15.255 MHz遞減到11.865 MHz，步長為0.425 MHz，循環(huán)往復。從圖5 可以看出，采用頻率抖動技術后，開關信號的頻譜依然是離散的。這種技術通過軟件手段將信號集中的能量分布在更多的頻線上，消減了基頻和倍頻處的峰值，降低了對外的電磁干擾水平。

圖4 系統(tǒng)電路圖

常規(guī)三角波斜率是恒定的，每個頻率點出現(xiàn)的概率都是一樣的。因此，鋸齒波調(diào)制后頻譜特征是能量分布比較平坦。在測量頻譜方面分為近場測試和遠場測試。近場測試常采用頻譜儀作為測試手段，但只能探究倍頻多次諧波產(chǎn)生的位置，而沒有定量的數(shù)據(jù)。遠場測試常采用3 米暗室法進行測量，可以得到定量的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析對比，也被認定為產(chǎn)品獲得EMI 合格的標準數(shù)據(jù)，所以遠場測試的數(shù)據(jù)更可以理解為真實的數(shù)據(jù)。遠場測試諧振式無線供電系統(tǒng)輻射EMI 標準測試如圖6所示。3 米暗室法是遠場測試常采用的方法，北京都興科思檢測技術有限公司擁有國家標準的電磁兼容實驗室，可以對無線供電系統(tǒng)的電路的電場輻射EMI 噪聲進行測試。

圖6 諧振式無線供電系統(tǒng)輻射EMI 標準測試

依據(jù)YY9706.102.2021 植入式集成電路標準，該諧振式無線充電系統(tǒng)電路在沒有展頻芯片SSDCI1108AF接入的情況下輻射測試結果如圖7 所示。如圖7 所示，電路測試時，設備在135.536 MHz 到230.499 MHz 的頻率范圍內(nèi)，EMI 噪聲顯著超出標準基線，最高點達到了55.92 dBμV/m，超出標準線15.92 dBμV/m，造成了對周圍環(huán)境的顯著干擾。當接入展頻芯片以后，再進行同樣的測試，結果如圖8 所示。

圖7 未接展頻芯片測試結果

圖8 接入展頻芯片測試結果

如圖8 所示，設備在148.120 MHz 到215.395 MHz 的頻率范圍內(nèi)，EMI 噪聲超出標準線。和沒有接入展頻芯片相比頻率范圍明顯縮小。最高點達到了47.06 dBμV/m，超出標準基線7.06 dBμV/m，相比之前降低了8.86 dBμV/m，抑制EMI 的效果非常明顯?？梢钥吹郊尤胝诡l芯片以后單點的頻點被拉寬，分散了大部分集中的功率，從根本上抑制了EMI 的噪聲。

2.2 系統(tǒng)發(fā)射電路諧波抑制設計

根據(jù)前面介紹，諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的輻射主要為共模輻射。因此，抑制共模輻射的有力措施就是共模電感。共模電感，也叫共模扼流圈，常用于開關電源中過濾共模的電磁干擾信號，也可以起EMI 濾波的作用，用于抑制信號線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。共模電感本質上就是兩個共模電感線圈。這兩個線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制反向)。這樣，當電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響；當有共模電流流經(jīng)線圈時，由于共模電流的同向性，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強的阻尼效果，以此衰減共模電流，達到濾波的目的。

但是，濾除不同頻段的噪聲，需要的共模電感品種也不相同。植入諧振式無線能量傳輸電路要求接入的共模電感體積小，精度高。因此，選用寶仁弘生產(chǎn)的型號為CHOK4532S282A09T 的共模電感，它具體的頻率特征如圖9 所示。

圖9 共模電感特性曲線

根據(jù)圖9 共模電感的特性曲線，可以看出在100 MHz～200 MHz 的頻段，共模電感呈現(xiàn)1 kΩ 以上的高阻性，對于諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)在148.120 MHz 到215.395 MHz 的頻段的電磁波輻射能夠明顯抑制。在電源傳輸線上接入共模電感后，再進行電場輻射EMI 噪聲測試，結果如圖10 所示。

圖10 諧波抑制測試結果

從圖10 中可以看出，使用共模電感后效果顯著，所有頻點均在標準線以下，并且諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)能夠正常地工作。最高點僅為36.59 dBμV/m，符合YY9706.102.2021 標準的相關電磁兼容的要求。

2.3 系統(tǒng)接收電路設計

系統(tǒng)接收電路設計了濾波電路、降壓電路等，對接收的電壓信號進行穩(wěn)壓處理，圖4（c）為電路圖，圖4（d）為接入線圈的是實物圖。接收電路主要考慮接收信號的穩(wěn)定性，電路結構比較簡單，在這里不做贅述。

3 結論

本文設計了一種用于光遺傳植入的無線能量傳輸中防止EMI 的硬件結構，該硬件在無線發(fā)射電路中加入了展頻技術和諧波抑制技術實現(xiàn)了植入型電路中有效抑制EMI，在本文中實現(xiàn)了以下幾部分的創(chuàng)新：

(1)設計了無線能量傳輸?shù)碾娐贩抡婺Ｐ?，并就仿真模型發(fā)現(xiàn)EMI 問題，并提出解決方案。

(2)針對植入式的需求設計一種小型化的無線能量傳輸展頻技術電路，實現(xiàn)了在遠場測試環(huán)境3 米暗室中的有效測試。

(3)在此基礎上，又加入了諧波抑制電路，并最終在多次實驗中完成了防止EMI 的有效性和穩(wěn)定。

本系統(tǒng)研發(fā)的無線能量傳輸對于光遺傳應用于植入電路中的研究有一定的推動意義，可以有效地對體內(nèi)進行供電，并減少生物體植入電路中多次手術更換電池的痛苦和風險。相信這項技術對于腦機接口的研究有一定的指導意義。