用于电子式眼科镜片的镜片驱动器的高电压H桥控制电路

申请号 CN201611197890.5 申请日 2016-12-22 公开(公告)号 CN106908965A 公开(公告)日 2017-06-30
申请人 庄臣及庄臣视力保护公司; 发明人 D.怀特内伊; A.托纳;
摘要 本 发明 题为“用于 电子 式眼科镜片的镜片 驱动器 的高 电压 H桥控制 电路 ”。本文公开了一种用于眼科设备的镜片驱动器或镜片驱动器电路,该眼科设备包括致动可变焦光学件的电子系统。所述镜片驱动器是结合到所述眼科设备中的电子系统的一部分。所述电子系统包括一个或多个 电池 或其它功率源、功率管理电路、一个或多个 传感器 、时钟生成电路、控制 算法 和电路,以及镜片驱动电路。所述镜片驱动器电路包括一个或多个功率源、一个或多个高电压发生器和一个或多个 开关 电路。具体地讲,所述镜片驱动器包括H桥/H桥 控制器 ,所述H桥/H桥控制器用于提供包括极性的适当电压以驱动包括在所述眼科设备中的所述电子器件。
权利要求

1.一种眼科设备,包括:
眼科镜片,所述眼科镜片在眼中或眼上的至少一种情况下使用;
结合到所述眼科镜片中的光学元件,所述光学元件被配置用于视矫正和视力增强中的至少一者,并且具有电子控制的焦距、电子控制的透光率和电子控制的偏振中的一者或多者;以及
结合到所述眼科镜片中的电子系统,所述电子系统包括:
功率源;
H桥电路,所述H桥电路被配置成控制提供给所述光学元件的电压、反转提供给所述光学元件的电压的极性以及使所述光学元件短路,所述H桥电路包括实现为N沟道MOSFET晶体管的第一下部开关和第二下部开关以及第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关;
H桥控制电路,所述H桥控制电路用于使用电平移位器单元控制所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关并且被配置成高阻抗电路从而阻止所述功率源的加载,所述电平移位器单元包括缓冲器电容耦合电路和电荷单元,其中所述电容器在低电压和高电压之间进行电平移位并将电荷传递到所述电荷泵单元,所述电荷泵单元为所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关提供激活电压,以及包括控制开关的主动断开电路,所述主动断开电路被设计成在必要时通过激活用于激活所述控制开关的另外的电平移位器电路、以及介于所述两个电平移位器单元的输出之间的交叉耦合开关电路来停用所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关,从而确保每次仅接通所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关中的一个;以及系统控制器,所述系统控制器被配置成为所述电子系统提供控制和定时信号,其中所述功率源为所述第一上部P沟道MOSFET晶体管和第二上部P沟道MOSFET晶体管的源极以及所述H桥控制电路提供电压。
2.根据权利要求1所述的眼科设备,其中所述眼科装置包括接触镜片。
3.根据权利要求2所述的眼科设备,其中所述接触镜片包括软性接触镜片。
4.根据权利要求2所述的眼科设备,其中所述接触镜片包括混合型软性/刚性接触镜片。
5.根据权利要求1所述的眼科设备,其中所述眼科装置包括眼内镜片。
6.根据权利要求1所述的眼科设备,其中所述光学元件在至少两种焦距下工作。
7.根据权利要求1所述的眼科设备,其中所述电子系统在集成电路上实现。
8.根据权利要求1所述的眼科设备,其中所述光学元件包括液体弯月形镜片。
9.根据权利要求1所述的眼科设备,其中所述光学元件包括液晶镜片。
10.根据权利要求1所述的眼科设备,其中所述功率源包括电池
11.根据权利要求7所述的眼科设备,其中所述集成电路结合到电路板上。
12.根据权利要求11所述的眼科设备,其中所述电路板被配置成为环形圈。
13.根据权利要求12所述的眼科设备,其中所述环形圈形成为锥形截面以用于结合到接触镜片中。
14.根据权利要求12所述的眼科设备,其中所述环形圈形成为锥形截面以用于结合到眼内镜片中。
15.根据权利要求1所述的眼科设备,其中所述光学元件在至少两种光透射状态下工作。
16.根据权利要求1所述的眼科设备,其中所述光学元件在至少两种光偏振状态下工作。
17.一种眼科设备,包括:
眼科镜片,所述眼科镜片在眼中或眼上的至少一种情况下使用;
结合到所述眼科镜片中的光学元件,所述光学元件被配置用于视力矫正和视力增强中的至少一者,并且具有电子控制的焦距、电子控制的透光率和电子控制的偏振中的一者或多者;以及
结合到所述眼科镜片中的电子系统,所述电子系统包括:
功率源;
H桥电路,所述H桥电路被配置成控制提供给所述光学元件的电压、反转提供给所述光学元件的电压的极性以及使所述光学元件短路,所述H桥电路包括实现为N沟道MOSFET晶体管的第一下部开关和第二下部开关以及第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关;
H桥控制电路,所述H桥控制电路用于使用电平移位器单元控制所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关并且被配置成高阻抗电路从而阻止所述功率源的加载,所述电平移位器单元包括缓冲器、电容耦合电路和电荷泵单元,其中所述电容器在低电压和高电压之间进行电平移位并将电荷传递到所述电荷泵单元,所述电荷泵单元为所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关提供激活电压,以及包括控制开关的主动断开电路,所述主动断开电路被设计成在必要时通过激活介于所述两个电平移位器单元的输出之间的交叉耦合开关电路来停用所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关,从而确保每次仅接通所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关中的一个;以及
系统控制器,所述系统控制器被配置成为所述电子系统提供控制和定时信号,其中所述功率源为所述第一上部P沟道MOSFET晶体管和第二上部P沟道MOSFET晶体管的栅极以及所述H桥控制电路提供电压。
18.根据权利要求17所述的眼科设备,其中所述眼科设备包括接触镜片。
19.根据权利要求18所述的眼科设备,其中所述接触镜片包括软性接触镜片。
20.根据权利要求18所述的眼科设备,其中所述接触镜片包括混合型软性/刚性接触镜片。
21.根据权利要求17所述的眼科设备,其中所述眼科装置包括眼内镜片。
22.根据权利要求17所述的眼科设备,其中所述光学元件在至少两种焦距下工作。
23.根据权利要求17所述的眼科设备,其中所述电子系统在集成电路上实现。
24.根据权利要求17所述的眼科设备,其中所述光学元件包括液体弯月形镜片。
25.根据权利要求17所述的眼科设备,其中所述光学元件包括液晶镜片。
26.根据权利要求17所述的眼科设备,其中所述功率源包括电池。
27.根据权利要求23所述的眼科设备,其中所述集成电路结合到电路板上。
28.根据权利要求27所述的眼科设备,其中所述电路板被配置成为环形圈。
29.根据权利要求28所述的眼科设备,其中所述环形圈形成为锥形截面以用于结合到接触镜片中。
30.根据权利要求28所述的眼科设备,其中所述环形圈形成为锥形截面以用于结合到眼内镜片中。
31.一种眼科设备,包括:
眼科镜片,所述眼科镜片在眼中或眼上的至少一种情况下使用;
结合到所述眼科镜片中的光学元件,所述光学元件被配置用于视力矫正和视力增强中的至少一者,并且具有电子控制的焦距、电子控制的透光率和电子控制的偏振中的一者或多者;以及
结合到所述眼科镜片中的电子系统,所述电子系统包括:
功率源;
开关电路,所述开关电路被配置成控制提供给所述光学元件的电压并使所述光学元件短路,所述开关电路包括实现为N沟道MOSFET晶体管的下部开关以及上部P沟道MOSFET开关;
开关控制电路,所述开关控制电路用于使用电平移位器单元控制所述上部P沟道MOSFET开关并且被配置成高阻抗电路从而阻止所述功率源的加载,所述电平移位器单元包括缓冲器、电容耦合电路和电荷泵单元,其中所述电容器在低电压和高电压之间进行电平移位并将电荷传递到所述电荷泵单元,所述电荷泵单元为所述上部P沟道MOSFET开关提供激活电压,以及包括控制开关的主动断开电路,所述主动断开电路被设计成在必要时通过激活用于激活所述控制开关的另外的电平移位器电路来停用所述上部P沟道MOSFET开关;
以及
系统控制器,所述系统控制器被配置成为所述电子系统提供控制和定时信号,其中所述功率源为所述上部P沟道MOSFET晶体管的源极以及所述H桥控制电路提供电压。
32.一种电子系统,包括:
功率源;
H桥电路,所述H桥电路被配置成控制提供给所述光学元件的电压、反转提供给所述光学元件的电压的极性以及使所述光学元件短路,所述H桥电路包括实现为N沟道MOSFET晶体管的第一下部开关和第二下部开关以及第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关;
H桥控制电路,所述H桥控制电路用于使用电平移位器单元控制所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关并且被配置成高阻抗电路从而阻止所述功率源的加载,所述电平移位器单元包括缓冲器、电容耦合电路和电荷泵单元,其中所述电容器在低电压和高电压之间进行电平移位并将电荷传递到所述电荷泵单元,所述电荷泵单元为所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关提供激活电压,以及包括控制开关的主动断开电路,所述主动断开电路被设计成在必要时通过激活用于激活所述控制开关的另外的电平移位器电路、以及介于所述两个电平移位器单元的输出之间的交叉耦合开关电路来停用所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关,从而确保每次仅接通所述第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关中的一个;以及系统控制器,所述系统控制器被配置成为所述电子系统提供控制和定时信号,其中所述功率源为所述第一上部P沟道MOSFET晶体管和第二上部P沟道MOSFET晶体管的源极以及所述H桥控制电路提供电压。

说明书全文

用于电子式眼科镜片的镜片驱动器的高电压H桥控制电路

背景技术

[0001] 1.技术领域
[0002] 本发明涉及为可变光学电子式眼科镜片或其它类似装置提供功率的电子电路,并且更具体地,涉及被配置成能够控制可变光学电子式眼科镜片中光学元件的镜片驱动器的H桥型开关电路。
[0003] 2.相关领域的描述
[0004] 随着电子装置持续小型化,变得越来越有可能产生用于多种用途的可佩戴或可嵌入的微电子装置。此类用途可包括监视身体化学性质的各方面、经由多种机械装置(包括自动地)施用受控剂量的药物或治疗剂以响应于测量或响应于外部控制信号,以及增强器官或组织的性能。此类装置的示例包括葡萄糖输液、起搏器、去纤颤器、心室辅助装置和神经刺激器。一个尤其有用的新应用领域是在眼科可佩戴镜片和接触镜片中。例如,可佩戴镜片可结合镜片组件,该镜片组件具有电子可调节焦距,以增强或提高眼睛的性能。在另一个示例中,无论具有还是不具有可调节焦距,可佩戴的接触镜片可结合电子传感器,以检测膜前(泪)膜中特定化学物质的浓度。在镜片组件中使用嵌入式电子器件引起对如下的潜在需求:需要与电子器件通信,需要一种对包括功率控制或功率管理电路的电子器件供电和/或重新供能的方法,需要将电子器件互连,需要内部和外部传感和/或监视,以及需要控制电子器件和镜片的总体功能。
[0005] 人眼具有辨别上百万种颜色、易于调节以改变光状况的能、以及以超过高速互联网连接的速率将信号或信息传输到大脑的能力。当前,镜片诸如接触镜片和眼内镜片被用来矫正视力缺陷,诸如近视(近视眼)、远视(远视眼)、老花眼和散光。然而,结合附加部件的经适当设计的镜片可用来提高视力以及矫正视力缺陷。
[0006] 接触镜片可用于矫正近视、远视、散光以及其它视敏度缺陷。接触镜片也可用于增强佩戴者眼睛的自然外观。接触镜片或“触体”仅是放置在眼前表面上的镜片。接触镜片被视为医疗装置并且可被佩戴用于矫正视力和/或用于美容或其它治疗原因。自20世纪50年代起,商业上就已利用接触镜片来改善视力。早期的接触镜片由硬性材料制成或加工成形,相对昂贵并且脆弱。此外,这些早期的接触镜片由不允许足够的气通过接触镜片传输到结膜和角膜的材料制成,这可潜在地引起许多不良临床效应。尽管仍利用这些接触镜片,但它们因其不良的初始舒适度而并不适用于所有患者。该领域的后续发展产生了基于凝胶的软性接触镜片,该软性接触镜片在当今极其流行且被广泛利用。具体地讲,当今可用的有机水凝胶接触镜片将具有极高透氧度的有机硅的有益效果与水凝胶的经证实的舒适度和临床性能结合在一起。事实上,与由早期硬性材料制成的接触镜片相比,这些基于有机硅水凝胶的接触镜片具有更高的透氧度并且通常有更高的佩戴舒适度。
[0007] 常规的接触镜片为具有特定形状的聚合物结构,以便如上所简述的矫正各种视力问题。为了实现增强的功能,必须将各种电路和部件集成到这些聚合物结构中。例如,控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制内置的光电部件集成到接触镜片中,以便不仅矫正视力,而且提高视力,以及提供如本文所解释的附加功能。电子式和/或电力式接触镜片可被设计成经由放大和缩小能力或者仅只是通过修改镜片的屈光力来提供提高的视力。电子式和/或电力式接触镜片可被设计成增强颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转变为字幕、提供导航系统的视觉提示,以及提供图像处理和互联网接入。镜片可被设计成允许佩戴者在低光照状况下视物。在镜片上适当设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦光学镜片的情况下将图像投射到视网膜上,提供新型图像显示器,并且甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外,接触镜片可结合用于非入侵地监视佩戴者的生物标记物和健康指标的部件。例如,通过分析泪膜的组分,内置于镜片中的传感器可允许糖尿病患者监视血糖水平,而不需要抽血。此外,经适当配置的镜片可结合用于监视胆固醇、钠和水平以及其它生物标记物的传感器。如果结合无线数据发送器,这使得医师几乎可以立即得到患者的血液化学性质,而不需要患者浪费时间去实验室抽血。此外,可利用内置于镜片中的传感器来检测入射到眼睛上的光,以补偿环境光照条件或用于确定眨眼模式。
[0008] 装置的适当组合可产生可能无限的功能;然而,存在与将额外部件结合到光学级聚合物件上相关的多种困难。通常,由于多种原因难以在镜片上直接制造此类部件,并且难以将平面装置安装和互连在非平面表面上。还难以按比例制造。待放置在镜片上或镜片中的部件需要小型化且集成到仅1.5平方厘米的透明聚合物上,同时保护这些部件不受眼上液体环境的影响。由于附加部件增加了厚度,还难以制造对于佩戴者而言舒适安全的接触镜片。
[0009] 考虑到眼科装置诸如接触镜片的面积和体积限制以及其使用环境,装置的物理实现必须克服多个问题,包括将多个电子部件安装和互连在非平面表面上,这些电子部件的大多数包含光学塑料。因此,需要提供机械稳固和电稳固的电子式接触镜片。
[0010] 由于这些是电力式镜片,因而考虑到在眼科镜片尺度上的电池技术,用于驱动电子器件的能量或更具体地讲电流消耗是一个关切的问题。除了正常电流消耗之外,此类电力式装置或系统通常需要待机电流储备、确保在可能的各种工作参数下工作的精确电压控制和转换能力、以及应对可能保持多年闲置后的突发消耗(例如,单次充电至多十八(18)小时)。
[0011] 视力矫正和可能的视力提高通常在框架眼镜、接触镜片、眼内镜片(人工晶状体)和通过静态光学的其它眼科装置实现。例如,用以治疗近视(近视眼)的框架眼镜或接触镜片包括具有球面光焦度的镜片以矫正由角膜和/或镜片中的缺陷造成的视网膜上的焦点。双焦点矫正镜片可包括不同于主镜片焦度的嵌入式镜片。更先进的设计使用梯度、区域或其它方案以改变对于镜片的矫正能量。然而,由于这些镜片是光学静态的,因此它们不与人眼的自然反应相匹配,该自然反应是通过改变眼睛晶状体的光焦度而形成的可变焦行为。
对于远视眼个体,眼睛适应不同焦距的自然能力大大降低,从而导致功能的缺失和烦忧。本领域最近的进展包括具有一些动态适应功能的框架眼镜和人工晶状体,例如连接到眼眼镜晶状体悬韧带以实现有限量的光焦度变化的框架眼镜或人工晶状体。这些现有系统受限于仅涵盖小范围的增加焦度(可能仅+1屈光度)、需要佩戴框架眼镜、需要外科手术植入人工晶状体以及其它缺点。
[0012] 目前有多种类型的电子可变镜片技术,包括液晶式、电活性聚合物式、机电式、可变流体、以及液体弯月形镜片。此类电子可变镜片需要致动器和电子装置来改变镜片的焦距。例如,在液体弯月形镜片或电活性聚合物式镜片中,由致动器施加的电压和/或电流会调节镜片的物理参数以改变焦距。变焦镜片和其致动器(也称为镜片驱动器)两者可商购获得以用于多种应用,诸如智能相机和工业应用。对于诸如接触镜片和人工晶状体的眼科装置,不存在合适的镜片和致动器。
[0013] 电子式或电力式镜片通常需要比直接得自电池的电压更高的电压。例如,电力式镜片可能需要六十(60)伏的电压以实现焦距的最大变化,但典型的电池输出小于(4)伏。典型的镜片驱动器包括电压倍增器电路以从低压电源获得高输出压,与此相关的多种设计在本领域中是已知的。电压倍增器实质上是电压和电流转换装置,其原理类似于具有不匹配的初级对次级比率的变压器。然而,变压器作用于交流电,电压倍增器作用于直流(DC)电源,例如电池。电压倍增器可包括电荷泵,后者是在电子器件领域广泛所知的一种电路类型。
[0014] 目前可用的镜片驱动器具有许多缺点,因此不适合用于眼科装置诸如接触镜片和人工晶状体。典型镜片驱动器的电流消耗为约一(1)毫安至超过一百(100)毫安。虽然这对于接通干线电力的机器制造系统或甚至对于具有较大电池的相机或智能手机而言是可接受的电流消耗,但对于眼科装置中的功率源而言却是极其大的电流。用作电池、能量采集器和/或电容器的此类功率源通常限制于可能三十(30)微安或更小的电流。当激活电力式镜片时由镜片驱动器消耗的有效电流消耗以及当镜片驱动器不驱动电力式镜片时消耗的待机电流消耗是眼科装置的关键参数。
[0015] 典型的电子可变镜片及其镜片驱动器均针对应用而设计,但未针对眼科装置使用进行优化。例如,一些镜片在从毫米到无限大的焦距范围内是连续可变的,而一些则为三十(30)或更大屈光度。商用镜片和驱动器必须非常迅速地改变焦距,可能在小于一百(100)毫秒内。眼科镜片可能仅需要在一(1)或二(2)秒内改变焦距,如本领域所知,这是眼睛自然改变焦距通常所需的时间。对于液体弯月形镜片,即使对于在100毫秒内充电的镜片电压,镜片本身将需要1至2秒来改变焦点;然而,对于液晶光学件,镜片可在100毫秒内实现激活,并且光学件将更快做出响应。用于商业和制造应用的典型镜片和驱动器系统必须持续使用多年并且每天经历多次焦距的大范围变化。相比之下,诸如接触镜片的一些眼科装置可以是一次性的并且仅使用十八(18)个小时。
[0016] 典型的镜片驱动器采用分立的电子器件或集成电路(IC)形式。即使采用IC形式,镜片驱动器也可能需要诸如电容器的外部部件,并且镜片驱动器的物理管芯尺寸在厚度为数百微米的情况下可为二(2)平方毫米或更大,因此这仍是一个挑战。
[0017] 电子可变镜片通常以十(10)至六十(60)伏的电压激活。因而,用于这些装置的镜片驱动器必须输出足以激活电力式镜片的高电压。镜片驱动器可经过编程以改变输出电压,从而调节电力式镜片的光焦度。
[0018] 由于需要速度、可靠性和对于大范围焦距的光焦度的精确调节,用于液体弯月形镜片的典型镜片驱动器采用了交流(AC)驱动器。此类AC驱动器可能以一千赫(1kHz)的频率在正极和负极之间迅速切换施加到镜片的偏压。其它类型的光学件可能需要较低的频率,例如25Hz至50Hz。该驱动方法提供了现有商业应用的有益效果,但是也大大增加了可供选择的直流(DC)驱动方法中的电流消耗。液体弯月形镜片可模制成电容器,并且对此电容器进行充电所需的能量为1/2×C×V2,其中C为镜片电容,V为施加的电压。液体镜片电容为约两百皮法拉(200pF)。显而易见,由于必须以较快速率对镜片电容进行充电,因此典型的高电压镜片驱动器会提供并消耗大量电力。
[0019] 因此,需要用于电力式眼科镜片的镜片驱动器,该驱动器在低成本、长时间可靠服务、安全性、尺寸和速度方面经过优化,同时提供驱动可变焦光学件的必要电力。

发明内容

[0020] 本发明的镜片驱动器包括为可变焦光学电子式眼科镜片提供电力的高电压H桥控制电路,克服了如上概述的与现有技术相关的缺点。
[0021] 根据一个方面,本发明涉及眼科设备。眼科设备包括在眼中或眼上的至少一种情况下使用的眼科镜片;结合到眼科镜片中的光学元件,该光学元件被配置用于视力矫正和视力增强中的至少一者,并且具有电子控制的焦距、电子控制的透光率和电子控制的偏振中的一者或多者;以及结合到眼科镜片中的电子系统,该电子系统包括:功率源;H桥电路,被配置成控制提供给光学元件的电压、反转提供给光学元件的电压极性以及使光学元件短路,H桥电路包括实现为N沟道MOSFET晶体管的第一下部开关和第二下部开关以及第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关;H桥控制电路,用于使用电平移位器单元控制第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关并且被配置成高阻抗电路,从而阻止功率源的加载,电平移位器单元包括缓冲器电容耦合电路和电荷泵单元,其中电容器在低电压和高电压之间进行电平移位并将电荷传递至电荷泵单元,电荷泵单元为第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关提供激活电压,以及包括控制开关的主动断开电路,被设计成在必要时通过激活用于激活控制开关的另外的电平移位器电路、以及介于两个电平移位器单元的输出之间的交叉耦合开关电路来停用第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关,从而确保每次仅接通第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关中的一个;以及系统控制器,其被配置成为电子系统提供控制和定时信号,其中功率源为第一上部P沟道MOSFET晶体管和第二上部P沟道MOSFET晶体管的源极以及H桥控制电路提供电压。
[0022] 根据另一个方面,本发明涉及眼科设备。眼科设备包括在眼中或眼上的至少一种情况下使用的眼科镜片;结合到眼科镜片中的光学元件,该光学元件被配置用于视力矫正和视力增强中的至少一者,并且具有电子控制的焦距、电子控制的透光率和电子控制的偏振中的一者或多者;以及结合到眼科镜片中的电子系统,该电子系统包括:功率源;H桥电路,被配置成控制提供给光学元件的电压、反转提供给光学元件的电压极性以及使光学元件短路的H桥电路,H桥电路包括实现为N沟道MOSFET晶体管的第一下部开关和第二下部开关以及第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关;H桥控制电路,用于使用电平移位器单元控制第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关并且被配置成高阻抗电路,从而阻止功率源的加载,电平移位器单元包括缓冲器、电容耦合电路和电荷泵单元,其中电容器在低电压和高电压之间进行电平移位并将电荷传递至电荷泵单元,电荷泵单元为第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关提供激活电压,以及包括控制开关的主动断开电路,被设计成在必要时通过激活介于两个电平移位器单元的输出之间的交叉耦合开关电路来停用第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关,从而确保每次仅接通第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关中的一个;以及系统控制器,其被配置成为电子系统提供控制和定时信号,其中功率源为第一上部P沟道MOSFET晶体管和第二上部P沟道MOSFET晶体管的栅极以及H桥控制电路提供电压。
[0023] 根据另一个方面,本发明涉及眼科设备。该眼科设备包括:在眼中或眼上的至少一种情况下使用的眼科镜片;结合到眼科镜片中的光学元件,该光学元件被配置用于视力矫正和视力增强中的至少一者,并且具有电子控制的焦距、电子控制的透光率和电子控制的偏振中的一者或多者;以及结合到眼科镜片中的电子系统,该电子系统包括:功率源;开关电路,被配置成控制提供给光学元件的电压并造成光学元件短路,开关电路包括实现为N沟道MOSFET晶体管的下部开关和上部P沟道MOSFET开关;开关控制电路,用于使用电平移位器单元控制上部P沟道MOSFET开关并且被配置成高阻抗电路,从而阻止功率源的加载,电平移位器单元包括缓冲器、电容耦合电路和电荷泵单元,其中电容器在低电压和高电压之间进行电平移位并将电荷传递至电荷泵单元,电荷泵单元为上部P沟道MOSFET开关提供激活电压,以及包括控制开关的主动断开电路,被设计成在必要时通过激活用于激活控制开关的另外的电平移位器电路来停用上部P沟道MOSFET开关;以及系统控制器,其被配置成为电子系统提供控制和定时信号,其中功率源为上部P沟道MOSFET开关的源极以及H桥控制电路提供电压。
[0024] 根据另一个方面,本发明涉及电子系统。该电子系统包括:功率源;H桥电路,被配置成控制提供给光学元件的电压、反转提供给光学元件的电压的极性以及使光学元件短路,H桥电路包括实现为N沟道MOSFET晶体管的第一下部开关和第二下部开关以及第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关;H桥控制电路,用于使用电平移位器单元控制第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关并且被配置成高阻抗电路,从而阻止功率源的加载,电平移位器单元包括缓冲器、电容耦合电路和电荷泵单元,其中电容器在低电压和高电压之间进行电平移位并将电荷传递至电荷泵单元,电荷泵单元为第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关提供激活电压,以及包括控制开关的主动断开电路,被设计成在必要时通过激活用于激活控制开关的另外的电平移位器电路、以及介于两个电平移位器单元的输出之间的交叉耦合开关电路来停用第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关,从而确保每次仅接通第一上部P沟道MOSFET开关和第二上部P沟道MOSFET开关中的一个;以及系统控制器,被配置成为电子系统提供控制和定时信号,其中功率源为第一上部P沟道MOSFET晶体管和第二上部P沟道MOSFET晶体管的源极以及H桥控制电路提供电压。
[0025] 本发明涉及包括电子系统的电力式接触镜片,该电子系统执行多种功能,包括致动可变焦光学件。电子系统包括一个或多个电池或其它功率源、功率管理电路、一个或多个传感器、时钟发生电路、实现适当控制算法的控制电路、以及镜片驱动器电路。
[0026] 镜片致动器或镜片驱动器电路产生适当的偏压以致动可变焦光学件。其通过系统控制器、控制系统或控制电路来激活,从功率管理电路接收电流并从时钟发生电路接收时钟信号。镜片致动器或镜片驱动器电路包括一个或多个电源、一个或多个偏压发生器和一个或多个开关电路。镜片驱动器电路将电池级电压转换成适于致动可变焦镜片的偏压。它还包括用于转换偏压至可变焦镜片的电路,例如接地、高电压、极性反转转和浮动。
[0027] 在一个示例性实施方案中,可变焦光学件为需要高电压来改变焦点的电润湿装置。用于此类可变焦光学件的镜片驱动器将电池级电压转换成高偏置电压,例如,从2V输入转换成25V输出。在另一个示例性实施例中,可变焦光学件为机电式或电流体式装置。用于此类可变焦光学件的镜片驱动器可显著不同于电润湿装置所需的驱动器,例如,其需要特定驱动波形和镜片反馈或光学状态。然而,在眼科装置中的功能是相同的;即,以电子方式控制镜片可变焦光学件的焦距。在另一个示例性实施例中,可变焦光学件可包括需要电流模式偏压的液晶装置。本发明不采用该电流模式偏压,但电流模式偏压是可能的并且可具有某些用途和益处。
[0028] 在不显著影响舒适性或可佩戴性的情况下,本发明的镜片驱动器电路在尺寸适合用在诸如接触镜片的眼科装置上或眼科装置中的包装件中提供安全、低成本、长时间、可靠的功率。
[0029] 为了减少电流消耗,使用了根据本发明的多种技术,其适用于眼科装置的镜片驱动器。通过仔细地将镜片驱动器的要求与电力式镜片的可变焦光学件匹配并且将电力式镜片要求的可变焦光学件与眼科装置的可变焦光学件匹配,来减小电流。例如,为了避免液体弯月形镜片的开关损耗,使用DC驱动代替AC驱动。这是可能的,因为在一些示例性实施方案中,连续变焦不是必须的或基本上不同于对现有镜片驱动器的要求。附加焦度可仅为平的(0附加焦度)和+3光焦度。另外,用于眼科装置的特定液体弯月形镜片的设计减少或消除了对极性切换的需要。在一些示例性实施方案中,镜片驱动器的输出未经过调节并且不作为控制回路的一部分。虽然对于涉及大范围焦距的应用,可能需要对镜片驱动器输出进行严密调节,但并不一定所有眼科应用都需要严密的调节。镜片的设计可允许大范围的驱动器电压以实现对焦距的所需改变。如本领域技术人员将认识到的那样,去除反馈系统大大简化了镜片驱动器,并且在管芯尺寸和电流消耗方面有相应的改善。
[0030] 通过仔细设计用于眼科应用的镜片驱动器,进一步减少电流消耗。有效电流减小至大约三(3)微安。待机和存储电流减小至毫微安或微微安。这通过本领域已知的技术以及在本文中详细描述的创新技术而实现。
[0031] 连同眼科应用镜片一起设计镜片驱动器使得镜片驱动器有更多改善。电力式镜片的可变焦光学件的激活电压可减小,并且在镜片驱动器的输出电压要求以及镜片驱动器电流和尺寸有相应的减小。电力式镜片的可变焦光学件的电容和电阻可进行优化,从而需要更少来自镜片驱动器的电流。此外,这减小了镜片驱动器的尺寸和电流消耗。
[0032] 尺寸和包装对用于眼科应用镜片驱动器的适用性是十分重要的。同样地,对尤其在眼科应用中使用的集成、布局和互连进行设计。将镜片驱动器的所有部件集成到一个硅集成电路(即IC)上,消除了对诸如分立的表面安装电容器等外部部件的需求。然而,重要的是应注意,可能需要外部部件。通过多种技术减小管芯尺寸。在晶片后处理中增加互连并且经特别设计以用于眼科应用中。将管芯薄化至大约三十(30)至一百(100)微米。附图说明
[0033] 通过对本发明的优选实施方案的以下更具体描述,如附图中所示,本发明的上述及其它特征和优点将显而易见。
[0034] 图1为根据本发明的示例性可变焦镜片系统的框图示意图。
[0035] 图2为根据本发明的连接到电力式接触镜片的示例性H桥电路的图解示意图,该电力式接触镜片具有可变焦光学件。
[0036] 图3为图2的示例性H桥电路的图解示意图。
[0037] 图4为根据本发明的第一示例性H桥/H桥控制器电路的图解示意图。
[0038] 图5为图4的第一示例性H桥/H桥控制器电路的上部开关和电平移位器电路的图解示意图。
[0039] 图6为图4的第一示例性H桥/H桥控制器电路的断开开关电路的图解示意图。
[0040] 图7为根据本发明的第二示例性H桥/H桥控制器电路的图解示意图。
[0041] 图8为图7的第二示例性H桥/H桥控制器电路的上部开关和电平移位器电路的图解示意图。
[0042] 图9为图4的第二示例性H桥/H桥控制器电路的断开开关电路的图解示意图。
[0043] 图10为根据本发明用于电力式接触镜片的示例性电子插件的图解示意图,该电子插件包括镜片驱动器。

具体实施方式

[0044] 如上所简述,常规的接触镜片为具有特定形状的聚合物结构以矫正各种视力问题。为了实现增强的功能,必须将各种电路和部件集成到这些聚合物结构中。例如,控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制内置的光电部件集成到接触镜片中,不仅矫正视力,而且提高视力,以及提供如本文所解释的附加功能。电子式和/或电力式接触镜片可被设计成经由放大和缩小能力或者仅只是通过改变镜片的屈光力来提供提高的视力。电子式和/或电力式接触镜片可被设计成增强颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转变为字幕、提供导航系统的视觉提示、提供图像处理和互联网接入。镜片可被设计成允许佩戴者在低光照状况下视物。镜片上适当地设计的电子器件和/或电子器件的布置可允许例如在没有可变焦光学镜片的情况下将图像投射到视网膜上,提供新型图像显示器,并甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外,接触镜片可结合用于非入侵地监视佩戴者的生物标记物和健康指标的部件。例如,通过分析泪膜的组分,内置于镜片中的传感器使得糖尿病患者可以监测血糖水平,而不需要抽血。此外,经适当地配置的镜片可结合用于监控胆固醇、钠和钾水平以及其它生物标记物的传感器。如果结合无线数据发送器,这使得医师几乎可以立即得到患者的血液化学性质,而不需要患者浪费时间去实验室抽血。此外,可利用内置于镜片中的传感器来检测入射到眼睛上的光,以补偿环境光照条件或者用于确定眨眼模式。
[0045] 本发明涉及包括电子系统的电力式眼科镜片或电力式接触镜片,该电子系统致动可变焦镜片或被配置成实现可执行的多种功能中的任何其它一种或多种装置。电子系统包括一个或多个电池或其它功率源、功率管理电路、一个或多个传感器、时钟发生电路、实现适当控制算法的控制电路、以及镜片驱动器电路。这些部件的复杂性可能根据所需或所期望的镜片功能而不同。
[0046] 镜片驱动器电路产生适当的偏压以致动可变焦镜片。其通过系统控制器或控制电路来激活,从功率管理电路接收电流并从时钟发生电路接收时钟信号。镜片驱动器电路包括一个或多个电源、一个或多个偏压发生器和一个或多个开关电路。镜片驱动器电路将电池级电压转换成适于致动可变焦镜片的偏压。它还包括用于转换偏压至镜片的电路,例如接地、高电压、极性反转和浮动。
[0047] 如上所述,本发明涉及诸如接触镜片的眼科装置,该接触镜片包括多个部件,并且镜片驱动器是这些部件之一。装置的适当组合可产生可能无限的功能;然而,存在与将额外部件结合到光学级聚合物件上相关的多种困难。通常,由于多种原因难以在镜片上直接制造此类部件,并且难以将平面装置安装和互连在非平面表面上。还难以按比例和形状进行制造。待放置在镜片上或镜片中的部件需要小型化且集成到仅1.5平方厘米的透明聚合物上,或更具体地讲,集成到十七(17)平方毫米的透明聚合物上,同时保护这些部件不受眼上液体环境的影响。由于附加部件增加了厚度,可能难以制造出对于佩戴者而言舒适的接触镜片。
[0048] 除本文所述的尺寸要求之外,结合到接触镜片中的电子装置必须稳固和安全以用于基本上水性环境。泪液具有约7.4的pH值,并且为约98.2%的水和1.8%的固体,包括电解质,例如钠、钾、、镁和氯化物。这样的环境对于引入电子器件而言稍显严苛。此外,接触镜片通常被设计成佩戴至少四小时,并且优选长于八小时。电子部件需要能量。该能量可由包括内置电池的任何数目的源提供。由于电池和其它潜在能源在这些规格方面的可能性有限,因此包括镜片驱动器在内的所有电子部件优选经设计用以消耗尽可能少的功率,使得接触镜片即使在闲置一段给定时间(储存寿命)之后也可佩戴给定的时间。最后,电子式接触镜片中的所有部件必须是生物相容性的且安全的。因此,结合到接触镜片中的所有电子器件必须满足所有以上设计参数;即,尺寸、水性溶液中的耐受性、功耗和安全性。本发明的镜片驱动器满足所有这些要求。
[0049] 重要的是应注意,存在可变焦光学件的许多另选示例性实施方案。例如,可变焦光学件可利用液晶技术、电活性聚合物技术、可变流体技术以及液体弯月形技术来实现。在以下的具体实施方式中,可变焦光学件包括液体弯月形镜片。如上所述,可利用可变焦光学件的另选实施方案,包括液晶光学件;然而,关于本发明所述的电路十分重要;即,H桥和H桥控制器可与这些可变焦光学件中的任何一种一起使用。如本文所述的术语“液体弯月形”和“电润湿”在本说明书中可互换使用。为了更好地理解对本发明的示例性实施例的说明,给出了对液体弯月形镜片的总体概述。典型的液体镜片具有包括两种不混溶液体的单元。一种液体是绝缘的和非极性的,而第二种液体通常是导电水溶液,诸如盐溶液。两种液体均为透明的,具有不同的折射率。优选地,两种液体具有相同的密度,使得重力对于镜片工作的影响最小。绝缘液体被配置为水滴形状并且放置为与疏水的薄型绝缘窗口接触使得绝缘液体位于其上。导电液体也被置为与绝缘窗口和绝缘液体接触。透明电极定位在该窗口的外侧上。在电极和导电液体之间施加电压有利于该相同液体表面的润湿性,从而使界面变形并改变绝缘液滴的形状,从而改变镜片的焦距。这是更进一步的说明,并不旨在构造为本发明的特定光学元件。
[0050] 在一个示例性实施方案中,可变焦光学件为需要高电压来改变焦点的电润湿装置。可能需要高电压,以例如在给定绝缘和导电液体的电润湿特性以及绝缘窗口的特性的情况下,使液体弯月形系统变形至期望的接触角和屈光度。用于此类可变焦光学件的镜片驱动器将电池级电压转换成高偏置电压,例如,从2V输入转换成25V输出。在另一个示例性实施方案中,可变焦光学件为机电式或电流体式装置。用于此类可变焦镜片的镜片驱动器可基本上不同于电润湿装置所需的驱动器,例如,其需要特定驱动波形和镜片状态反馈。然而,在眼科装置中的功能是相同的;即,以电子方式控制镜片的焦距。在另一个示例性实施方案中,可变焦镜片可包括需要电流模式偏压的液晶装置。
[0051] 电润湿镜片具有由镜片物理构造产生的一定量的电容。导电盐水相连接到镜片的一个电触点电介质将该导电盐水相与连接到镜片的第二电终端的电极分离。因此,由于电介质的相对介电常数和厚度以及覆盖电极的盐水面积,两个终端之间的电容升高。为了致动电润湿镜片,必须对电容进行充电直至终端电压超过焦点改变激活的阈值。如此,电润湿镜片的电容对于镜片驱动器的设计而言十分重要。如本领域的技术人员所知,可优化镜片驱动器的设计参数以满足镜片负载和预期的性能要求。例如,随着电荷泵镜片驱动器形成高电压以致动电润湿镜片,时钟频率和电容器尺寸中的一者或多者的增加使得电荷泵供应更多电流。如本领域已知,电流源容量的增加使得对电容器更快速地充电。如此,对于可变焦镜片的电效率和致动时间,可优化镜片驱动器的时钟频率和电容器尺寸。对于其它电力可变镜片和对应的镜片驱动器,存在类似的设计关联性。
[0052] 如上所述,重要的是应注意,可使用任何合适的可变光学件。在上述示例中,描述了液体弯月形光学件;然而,液晶光学件可能是优选的。除提供电子控制的焦距之外,液晶光学件还可提供电子控制的透光率和偏振。在这些情况下,施加于液晶镜片的电压会调节透光率百分比和/或偏振状态,而不是调节液晶的折射率或以其它方式调节光学件的焦距。本发明的H桥控制电路可与任意数量的光学件一起使用,因此下文给出的描述是关于电路本身而不是关于光学件。
[0053] 现在参见图1,其中示出了可变焦电子式眼科镜片系统的示例性实施方案,该系统包括功率源100、功率管理电路102、系统控制器104、H桥控制器106、镜片电源108、H桥110和可变焦镜片112。可变焦镜片112可为液体镜片,该液体镜片响应于跨镜片的两个电终端施加的激活电压而改变聚焦特性,例如焦距。如上所述,可采用任何合适的技术。这两个终端可对应于光学件112的前侧和后侧终端。激活电压可显著高于得自电源的电压,例如,全部镜片的激活使用二十五(25)伏而电池仅提供两(2)伏。电功率100可为电池、电容器或在可用工作电压下提供存储电荷的类似装置。在一些示例性实施例中,电功率100可为连接到外部电源的感应电力。功率管理电路102可包括一个或多个稳压器、电压或电流基准源和开关以选择性地使得电力供应到镜片系统中的其它部件。系统控制器104包括作为运行软件微控制器或在诸如状态机的数字逻辑中实现的数字控制系统,并且还可包括产生用于控制系统的周期性计时信号的振荡器。系统控制器104根据内部算法或在使用者的外部控制下(接口未示出),将控制信号提供给镜片电源108和H桥控制器106。镜片电源108从电功率100接收低工作电压下的电流,并产生等于或高于可变焦镜片112的激活电压的高输出电压,即,足以改变可变焦镜片112的状态的电压。镜片电源108还可包括振荡器或从可系统控制器104接收时钟信号。在本示例性实施方案中,镜片电源108的输出通过H桥开关电路110连接到可变焦镜片112,H桥开关电路为本领域众中已知的电路类型。H桥110包括在镜片电源108的输出与每个可变焦镜片112终端之间以及在每个可变焦镜片112终端与系统电接地之间的开关。H桥110的状态由施加到H桥控制器106的系统控制器104的控制信号中的一个或多个来确定。H桥控制器106用于将H桥110交接到系统控制器104。一般来讲,H桥控制器106将控制信号从在1.8伏的典型压下运行的低压数字控制器(例如,系统控制器104)进行电平移位至高电压H桥110。H桥控制器106还可包括计时和延迟电路,利用来自系统控制器104的较少输入管理向H桥110的输出的电路、以及防止H桥110中出现问题状态(例如,直通,一种在相关领域已知的短路状况)的电路。H桥110可被配置成一种或多种状态,诸如,镜片终端打开、短路接地、利用一个终端连接到镜片电源108的输出而另一个终端接地而通电、或以相反极性通电。H桥110提供了一种简便的方法以用于使可变焦镜片112通电以便致动,将可变焦镜片112放电以使其返回至基本电力以及转换提供至可变焦镜片112的偏压的极性。将可变焦光学件的两个终端接地使得镜片112中的电荷快速排出,从而允许可变焦镜片112迅速改变至未通电焦点状态,而不在当电荷通过高隔离系统缓慢排出时经受长时间的延迟。
系统控制器104可周期性地反转H桥110输出的极性,以优化可变焦镜片112的性能,例如,避免在一种状态下通电过久时可能发生的过量电荷捕捉。重要的是应注意,本文仅出于示例性目的示出和描述功能,并且功能块可被添加、移除或取代,但同时仍基于专为用于如本文所述的电子式或电力式眼科装置而设计和构造的镜片驱动器的基本原则。
[0054] 图2示出了连接到具有可变焦镜片250的电力式眼科镜片的示例性H桥电路200。H桥电路200尤其适合用于控制施加到可变焦镜片250的电压势能并且可用于转换电压至可变焦镜片250、跨可变焦镜片250反转极性以及将可变焦镜片250接地。示例性H桥200包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关202,204,206和208,所述开关由H桥控制器106和系统控制器104控制。系统控制器104可由状态机或其它能够控制镜片驱动器电路的装置代替。H桥控制器106是位于系统控制器104和H桥之间的接口,例如,用于将电压从1.8V的逻辑电平改变至25V输出所需的栅极驱动。重要的是,注意到低压逻辑电平可低至约0.9伏,并且高电平栅极驱动电压可在13伏至60伏之间变化。对于本领域的技术人员显而易见的是,存在对施加到形成H桥的MOSFET开关202,204,206和208的栅极的电压的独特需求。换句话说,来自典型系统控制器的低电平输出电压不足以关闭高边开关202和204。H桥控制器106提供必要的电平并控制平移以使这些高边开关工作。通过确保在相同支线上两个开关(202和208,或204和206)不会同时关闭来优化电流消耗也是必要的。可变焦镜片250连接到H桥的输出。H桥输入连接到镜片电源108并接地。镜片电源106可为电压倍增器、电荷泵或其它电路。根据其需求和用于其实现的技术,可使用附加电路(未示出)来实现和控制H桥110。例如,可能需要附加的开关,具体取决于镜片电源输出电平和系统中可用的偏压。
[0055] 在典型的工作中,可变焦镜片250的一侧将接地,而另一侧则连接到镜片电源108。为完成此工作,以恰当的开/关组合激活形成H桥的开关202,204,206和208。例如,如果开关
202和206关闭而开关204和208打开,则可变焦镜片250的左侧将连接到镜片电源108并且可变焦镜片250的右侧将接地。这表示可变焦镜片250可充电并激活这一情况。另选的情况是其中以相反的极性对可变焦镜片充电,关闭开关204和208,同时将开关202和206设定为打开。为了停用可变焦镜片250,将开关202和204设定为打开,同时关闭开关208和206。这消除了跨可变焦镜片250的任何电压势能,从而导致其停用。另一个可能有效的状态是跨可变焦镜片250施加势能,允许可变焦镜片250积聚电荷,然后断开可变焦镜片250并且使其仅在积累电荷上保持激活。这可通过打开形成H桥的所有开关202,204,206和208来实现。如果禁用镜片电源108而可变焦镜片250为浮动式,则此状态可使得电流消耗进一步减少。精心设计可变焦镜片250的电容和电阻以及电子系统中的渗漏,可使得可变焦镜片250存储电荷数秒,从而大大减少镜片电源108的工作周期以及因此减少平均电流消耗。
[0056] 为了更好地示出本发明,图3中示出了图2的H桥电路200的简化图解示意图。需要镜片电源108来激活可变焦镜片(未示出)。镜片电源108可以任意种方式实现,例如通过上文列出的电荷泵。可变焦镜片还需要一组开关、H桥电路,将来自镜片电源108的VH电压以正向极性(或正极性)和反向极性(或负极性)施加于镜片,并且能够使可变焦镜片终端短路。正向极性和反向极性切换使用标准H桥电路实现,标准H桥电路包括四个实现为MOSFET的开关,其中两个开关为关于最低电势(GND)的NMOS(N沟道)开关208和206,另外两个为关于镜片电源108的最高电势VH的PMOS(P沟道)开关202和204。负载例如可变焦镜片在O1和02终端处连接。两组开关均需要施加控制电压VC以打开或关闭特定开关,并将其设定为打开或关闭,即VC等于0以打开特定开关。控制电路电压VC来源于逻辑供电电压VL(未示出)。NMOS开关208和206需要IN1或IN2为高于参考GND的VC以关闭,并且PMOS开关202和204需要IP1或IP2为低于VH的VC以关闭。
[0057] 为了在O1处于VH电势且O2处于GND电势的可变焦镜片上实现正向极性,将IP1设定为电势VH减去VC。这将关闭PMOS开关202并将O1连接到VH。IN2被设定为VC加上GND电势以激活NMOS开关206并将O2连接到GND,IP2被设定为电势VH以打开PMOS开关204,并且IN1被设定为GND电势以打开NMOS开关208。为了在O1处于GND电势且O2处于VH电势的可变焦镜片上实现反向极性,将IP1设定为的VH电势以打开PMOS开关202,将IN2设定为GND电势以打开NMOS开关206。IP2被设定为电势VH减去VC以关闭PMOS开关204并将O2连接到VH,IN1被设定为VC加上GND电势以关闭NMOS开关208并将O1连接到GND。
[0058] 一般来讲,对于此类H桥电路,将VC电压施加于NMOS开关208和206不存在问题,因为VC略高于接地电压并且处于典型数字控制信号的电压范围内。然而,将VC电压施加于PMOS开关202和204较为复杂,因为这是超出典型数字控制信号电压的高电压,并且需要采用新的方法,同时仍满足本文所述眼科应用的其它要求。一种解决方案是利用实现为电阻分压器和/或电容分压器的电平移位器。另一种解决方案是利用交叉耦合电平移位器。然而,由于眼科应用诸如本文所述的眼科应用对于电源电流和管芯区域很敏感,因此对合适电平移位器的要求包括:在高状态或低状态下VH上不存在稳态电流加载或加载较低,闩或未知状态问题较少或不存在,无额外的电压轨或电压电平,所有部件具有安全工作条件,复杂性低,并且切换时间足够(重要但非关键)。当前所用的具体实施提供电平移位器的功能,但当前已知设计均无法满足本文所述的全部要求。
[0059] 本发明的示例性H桥电路满足全部上述要求;即,电路可产生合适的VC电压以驱动PMOS开关,并且电路可关闭一个或全部两个PMOS开关,同时提供非稳态电流损耗、较低的未知状态可能性和较低的复杂性。用于控制PMOS开关的示例性电路为电平移位器单元,其以近似的VL或其上的逻辑电压作为VC电压,并且关于VH,其以VH减去VC作为栅-源电压vgs_MP1和vgs_MP2以关闭PMOS开关。此外,开关必须完全关闭,因此采用额外的电路使vgs_MP1和vgs_MP2电压强制归零(短路),并且仅通过使该开关的栅-源电压归零来强制关闭相反的开关。示例性H桥电路还包括另外的电平移位器单元以强制关闭两个开关。下面给出更并完整的详细描述。
[0060] 参见图4,其中示出了根据本发明的H桥/H桥控制器电路400的第一示例性实施方案的图解示意图。另外,图4示出了系统控制器104和镜片电源108。H桥/H桥控制器电路400包括两个上部开关和电平移位器电路402和404、两个下部NMOS开关206和208以及断开开关电路406。每个上部开关和电平移位器电路402和404分别包括PMOS开关202和204以及电平移位器单元408和410。下面给出本文所述各个部件的详细说明。
[0061] 图5为上部开关和电平移位器电路404的图解示意图,其构造和工作与上部开关和电平移位器电路402相同。为了便于说明,仅对电路404进行描述。上部开关和电平移位器电路404包括缓冲器、电容耦合电路和电荷泵单元500(将稍后进行详细描述)。缓冲器508和510提供与系统控制器104的隔离并为电容器提供必要的适当驱动。电容器使VL与VH之间的信号进行电平移位并将电荷传递至电荷泵单元。仅有效电流通过这些电容器,但由于电荷泵会增加电荷或在一定程度上呈中性,因此由电平移位引起的加载用作与负载相对的源或用作极高阻抗的负载。该特征或功能解决了对于该上部开关和电平移位器电路404的重要要求,即,它具有高阻抗并且不加载到镜片电源108。此外,不需要其它电源,启动时不存在闩锁或斜坡变化问题,并且总体设计相当简单。
[0062] 重要的是应注意,根据本发明可使用任意数量的电荷泵单元电路。在图5所示的示例性实施方案中,电平移位器单元包括交叉耦合电荷泵单元500,其中存在两个用于驱动单元500的电平移位电容器502和504,每个时钟脉冲边沿各一个,如下文所述。该交叉耦合电荷泵单元就其自身而言并非唯一的,可使用其它设计。结果是电荷从VL电源传递到电容器506,从而形成关于VH的VC电压,因为电容器506的一侧被系到VH。VC电压现在经过电平移位,并且PMOS开关204可在晶体管规格内高效工作。
[0063] 驱动器缓冲器508接收来自系统控制器104的输入并在P1处形成方波输出,其量值在VL与GND之间切换。驱动器缓冲器510接收来自系统控制器104的输入并在P2处形成方波输出,P2与P1相同,但与P1存在180度的相差。当P1由低到高变化时,来自电容器502的电荷通过有源晶体管512传递到VH,从而增加VH的电荷。同时,P2由高到低变化,引起电容器504通过当前有源晶体管514从电容器506中拉出电流,从而增加电容器506的电荷并提高其电压。在相反的循环中,当P2由低到高变化时,来自电容器504的电荷通过有源晶体管516传递到电容器506,从而增加VH的电荷(保持电路电荷中性)。同时,P1由高到低变化,导致容器502通过当前有源晶体管518从电容器506中拉出电流,再次增加电容器506的电荷。
[0064] 该过程通过多次循环连续提高电容器506的电压至期望的VC或vgs_MP2电压。由于VH节点一侧的电荷增加并且同时电容器506的另一侧被负流耦合电容器充电,因此VH电荷的净变化约为零,使其得到极低的稳态电流,从而看起来电平移位器相对于VH电源具有极高的阻抗。
[0065] 使用肖特基二极管519和520抑制来自PMOS装置512和516的漏极(P)、主体(N)和基底(P)之间的寄生PNP装置的不利效应。在初始充电过程中,漏极可具有高于主体的电势,从而激活该寄生PNP,这将通过返回地(基底)的分路显著加载电路。由于正向电压较低,二极管519和520用于将漏极分流至寄生PNP的主体结,从而避免激活寄生PNP。
[0066] 现在参见图6,其中示出了断开开关电路406的图解示意图。断开开关电路406包括电平移位器单元600和停用电路。用电平移位器单元的电荷泵激活开关十分容易;然而,在移除激活信号后电荷泵不会快速关闭。因此,需要其它电路(即停用电路)来停用H桥开关的PMOS部分。图6中还示出了镜片电源108、两个PMOS开关202和204以及电平移位器单元408和410。
[0067] 如图6所示,停用电路包括两部分。一个停用电路包括晶体管602和604,其中该电路停用未激活的一侧,但是无法同时停用两侧。例如,如果电平移位器单元408被激活从而激活PMOS开关202,并且电平移位器单元410被停用,则vgs_MP1也足以激活晶体管604并导致vgs_MP2为零,从而完全停用PMOS开关204。相反,如果电平移位器单元410被激活从而激活PMOS开关204,并且电平移位器单元408被停用,则vgs_MP2也足以激活开关602并导致vgs_MP1电压为零,从而完全停用PMOS开关202。
[0068] 由于该机制仅适用于一侧为活动的情况,因此需要另一个电路来同时关闭两侧。该电路包括PMOS晶体管606和608以及电平移位器单元600。将差示脉冲波形施加于INF(与图5中用于激活主开关的方式相同,即两个相差为180度的方波)导致电平移位器单元600在电路中形成电压,从而同时激活晶体管606和608,继而通过使vgs_MP1和vgs_MP2信号短路来停用PMOS开关202和204。
[0069] 现在参见图7,其中示出了根据本发明的H桥/H桥控制器电路700的第二示例性实施方案的图解示意图。图7还示出了系统控制器104和镜片电源108,其连接方式不同于关于第一示例性实施方案的连接方式。电平移位器单元408和410与上文关于图4-6所述的那些相同,但连接方式不同,因此工作方式不同。更具体地讲,镜片电源108向PMOS开关202和204的两个栅极提供VH,并且电平移位器单元408和410通过提高其相应PMOS开关202和204的源极电压来形成vgs_MP1和vgs_MP2电压。这与第一示例性实施方案不同,在第一示例性实施方案中,源极保持为VH电平并使用电平移位器单元408和410降低栅极电压。该第二示例性实施方案包括断开开关电路702,该电路没有第一示例性实施方案中的相应电路复杂并且无需另外的电平移位器单元来将其关闭。与第一示例性实施方案相比的缺点在于,提供给负载的电荷受限于H桥控制电路中的各个电平移位器单元408和410而非连接到VH的存储电容器506(见图5)提供的量。下文参考图8详细描述了断开开关电路702。
[0070] 图8为图7的H桥/H桥控制电路700的第二示例性实施方案的上半部分的图解示意图。该构造的主要优点在于,当例如电平移位器单元408停用但未完全放电由此使得vgs_MP2非零时,产生自关断效应。O2上的任何加载将要求PMOS开关204通过由源极提供的漏极提供电流。由于除残余vgs_MP2电压以外,PMOS开关204的源极处不再存在经由电平移位器单元410的供应,因此源极被朝向栅极和漏极向下拉。vgs_MP2减小至零伏,从而关闭PMOS开关204。PMOS开关202侧以类似的方式工作,其中O1上的任何负载将电流从该节点拉出,将朝向其栅极和漏极牵拉PMOS开关202的源极,并将使vgs_MP1电压跌至零电压,由此将其自身关闭。此外,存在包括NMOS晶体管802和804的NMOS交叉耦合电路800,以有助于停用相反的电平移位器单元。如果电平移位器单元408关闭但vgs_MP1未完全处于零电压,则激活电平移位器单元410将在NMOS晶体管802的栅-源电压上形成足够的电压VC,以激活NMOS晶体管804,由此激活电平移位器单元408,进而使vgs_MP1达到零电压并将其完全关闭。相反的机制同样有效,如果vgs_MP2为非零伏并且电平移位器单元408被激活,则vgs_MP1形成并足以激活NMOS晶体管804,以使vgs_MP2短路并完全关闭PMOS开关204。
[0071] 电平移位器单元包括缓冲器、电容器和电荷泵。缓冲器驱动电容器,在VL与VH电压电平之间进行电平移位并向电荷泵提供电荷,继而形成VC电压以激活适当的开关。仅有效电流通过这些电容器,其中每个时钟周期电荷增加到连接到VH总线的电荷泵电路中以及从中移除,由此使得稳态期间净电荷为约零,由此看起来对于VH电源具有高阻抗。VH电源的电流消耗极少或无消耗是对电路的一项重要要求。此外,不需要其它电源,启动时不存在闩锁或斜坡变化问题,并且其相当简单。
[0072] 根据本发明可使用不同类型的电荷泵单元;然而,示例性的电荷泵单元为交叉耦合电荷泵单元,其中存在两个用于驱动该单元的电容器,并且该单元将在PMOS开关202或PMOS开关204上形成VC,如图9所示,虽然示出的上部开关和电荷泵404用于PMOS开关204控制,但同样适用于PMOS开关202控制。控制电压VC等于约VL,因此为控制开关提供了安全有效的VC电压。
[0073] 参见图9,驱动器缓冲器902和904在P1处形成量值在VL和GND之间振荡的方波输出,以及与P1的相差为180度的输出P2。当P1由低到高变化时,来自电容器906的电荷通过有源PMOS晶体管910传递到电容器908,从而增加电容器908的电荷。PMOS晶体管910被激活,因为电容器912变低并拉低PMOS晶体管910的栅极。同时,P2由高到低变化,导致电容器912通过当前有源NMOS晶体管914从VH中拉出电荷。NMOS晶体管914被激活,因为电容器906提高了NMOS晶体管914的栅极电压。当P1由高到低变化时,来自电容器906的电荷通过有源NMOS晶体管916从VH中去除。同样地,同时,P2由低到高变化,导致电容器912通过有源PMOS晶体管918为电容器908充电以充满电容器908。
[0074] 该过程导致电容器908通过几次循环将电荷增加所需的vgs_MP2电压。由于电荷泵驱动源极,因此它用于将输出电压提高至高于VH电压约VL。它还提供电荷,这些电荷根据需要被传递到负载O2。此外,当P1由低到高变化时,电容器906通过有源PMOS晶体管910为电容器908充电,并且同时P2由高到低变化并从VH中移除电荷,这样高电压电路的净电荷为零或接近零,因此其满足在VH电路上没有负载或负载极小的要求。
[0075] 在相反的循环过程中,当P2由低到高变化时,来自电容器912的电荷通过有源PMOS晶体管918传递到电容器908,从而提供电荷以形成vgs_MP2。同时,P1由高到低变化,导致电容器906通过当前有源NMOS晶体管916从VH中拉出电荷。同样,电荷增加和从高电压节点VH处移走电荷几乎同时发生,因此看起来具有极高的阻抗。
[0076] 使用肖特基二极管919和920抑制来自PMOS装置901和908的漏极(P)、主体(N)和基底(P)之间的寄生PNP装置的不利效应。在初始充电过程中,漏极可具有高于主体的电势,从而激活该寄生PNP,这将通过返回地(基底)的分路显著加载电路。由于正向电压较低,二极管519和520用于将漏极分流至寄生PNP的主体结,从而避免激活寄生PNP。
[0077] 现在参见图10,其示出了根据本发明的示例性实施方案,具有电子插件的示例性接触镜片,该插件包括镜片驱动器。示例性接触镜片1000包括软性塑料部分1002,该软性塑料部分包括电子插件1004。电子插件1004包括由本文所述的电子器件激活或控制的镜片1006,例如,根据激活而在近处或远处聚焦。电路1008安装到插件1004上,并且经由一根或多根电互连迹线1012连接到功率源1010诸如电池。也可经由电互连迹线1012连接附加电路。电路1008可包括本文所述的部件中的任一个,包括一个或多个传感器1014。
[0078] 本领域的普通技术人员将认识到,可变焦镜片系统的其它实施例和变型是可能的。电压倍增器的输入可直接联接到功率源或可连接到稳压器的输出。系统可包括H桥以灵活地控制镜片终端电压,H桥的一半仅包括一组PMOS和NMOS开关,通过简单的开关连接到一个终端而另一个终端接地,或者不包括开关但镜片始终以一种方式连接到电压倍增器输出。每个变型可提供在系统成本、面积和性能或效率之间的不同折衷。
[0079] 在一个示例性实施方案中,在接触镜片的周边区中而非光学区中形成电子器件和电子互连线。根据另选的示例性实施方案,重要的是应注意,电子器件的定位不必仅限于接触镜片的周边区。本文所述的所有电子部件均可利用薄膜技术和/或透明材料制成。随着技术变得可用,可以采用透明材料。如果利用这些技术,则电子部件可置于任何适合的位置,只要它们与光学件兼容即可。
[0080] 重要的是,注意到本文所述的电路可在硬件、软件或硬件和软件的组合中实现。另外,本文所用的电路板可包括任何合适的基板,包括具有镍金表面抛光的柔性聚酰亚胺基板上的迹线。
[0081] 尽管所示和所述的内容据信是最为实用的优选实施方案,但显而易见,对所述和所示的具体设计和方法的变更对于本领域中的技术人员来说不言自明,并且在不脱离本发明实质和范围的情况下可使用这些变型。本发明并不局限于所述和所示的具体构造,而是应当理解为与可落入所附权利要求书的范围内的全部修改形式相符。
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