亚太经合组织 主动和被动电子元件 1563 - 5031 0882 - 7516 Hindawi出版公司 879294年 10.1155 / 2012/879294 879294年 研究文章 归纳性质的无线功率传输系统生物医学应用 Adeeb m·A。 1、2 伊斯兰教 答:B。 1 海德尔 m·R。 3 郁金香 f·S。 4 Ericson m . N。 4 伊斯兰教 美国K。 1 张成泽 盛Lyang 1 电气工程和计算机科学 田纳西大学的 诺克斯维尔 TN 37996 美国 tennessee.edu 2 射频微器件公司,格林斯博罗,27409年数控 美国 rfmd.com 3 工程和计算机工程系 阿拉巴马大学的 伯明翰 AL 35294 美国 ua.edu 4 橡树岭国家实验室 橡树岭 TN 37831 - 6006 美国 ornl.gov 2012年 24 5 2012年 2012年 14 11 2011年 19 02 2012年 05年 03 2012年 2012年 版权©2012 m·a·Adeeb et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

无线电力传输系统使用一个归纳为植入式传感器应用程序链接已经证明。系统由两个主要模块:一个感应电能传输单元和一个反向数据通信单元。归纳链接执行两个功能:耦合所需的权力从一个无线供电系统使发条式、长期植入操作和提供一个落后的数据传输路径。落后的数据通信单元传送数据到外部读者使用移频键控调制方案通过归纳链接。为了演示感应的操作链接,董事会层面的设计实现了链接效率高。测试结果从制作的传感器系统,组成的混合实现定制集成电路和董事会层面的离散的组件,提出了证明125兆瓦的电力传输功率链路传输效率为12.5%。同时向后数据通信涉及数字脉搏率10 kbps也观察到。

 1。介绍

生物医学传感技术的最新进展和微观扩散——与廉价的信号处理系统和纳米制造设施导致各种生物医学传感器的发展。硅基精密加工和微机电技术已经成功地采用制造大范围的微型电化学生物传感器。这些制造工艺技术的进步使得重要的最近的研究集中在连续的调查 在活的有机体内测量和监视的各种生理变量通过一个植入式传感器( 1, 2]。例子包括监测血糖水平( 3- - - - - - 5),连续 在体外乳酸监测血液或组织( 6],微创血管压力监测和颅内隔间 7]。总结的主要新兴市场和商业化传感技术提出了过去几年的象牙海岸等。 8]。

生物医学应用中,植入电子病人正在越来越多地用于实时监测、诊断,和在某些情况下,治疗某些疾病。植入式传感器,驱动装置是一个最重要的问题。感应无线供电的链接是一种常见的方法植入生物医学电子和数据与外部世界沟通。以前,经皮的电缆被用在一些临床植入应用程序( 9),但他们引入一个感染的重要路径。经皮的电力电缆的一个选择是使用植入电池提供供应有限的权力和可能超过植入物尺寸和质量要求。此外,更换只能由外科手术,和长期植入了一个潜在的泄漏的风险。另外,归纳链接不受这些限制,因此产生增加植入的鲁棒性,如果实施得当,提供足够的小型化。无线电力传输和数据通信使用归纳链接已经演示了各种生物医学应用包括视觉假体、人工耳蜗、神经肌肉和神经刺激器,心脏起搏器和除颤器,深部脑刺激器,脊髓刺激器,脑机接口,胃肠道微系统,胶囊内镜( 10- - - - - - 19]。发表的研究工作利用电路使用低成本实现商用现货(COTS)组件允许更多的归纳链接系统的快速原型开发和验证。Turgis无线电遥测和普洱茶报告董事会层面的设计概念使用COTS组件的胶囊内镜( 20.]。Catrysse等人提出了一个归纳链接使用COTS组件与双向数据传输系统为生物医学应用提供50 mW超过3厘米的距离在700千赫 21]。Ghovanloo纳杰菲提出了一个芯片系统(SOC)的概念,结合ASIC设计与片外组件(LC罐;过滤器)为生物医学应用提供50 mW / 5毫米的距离在5/10 MHz频率( 22]。李和Bashirullah还演示了一个ASIC-based方法与片外电感线圈的组件提供6.15 mW 4 MHz ( 23]。

另外两个重要参数无线电力传输有关的生物医学应用程序操作的频率和数据率。联邦通信委员会(FCC)调节时间和暴露的数量在不同频率电磁波对人体组织的 24]。除了人体组织兼容性,wireless-based系统需要与现有通信系统的干涉。由于这些严格的要求,医学收音机倾向于使用工业、科学和医疗(ISM)频带较低数据率的操作。这取决于应用程序、医疗收音机使用不同的数据速率和频率。例如数据带宽起搏器、心脏去纤颤器,模拟耳蜗处理器通常8 kbps [ 25, 26),神经记录使用800 kbps ( 27),视网膜刺激器使用40 kbps [ 28]。

在本文中,我们提出一个归纳为基于COTS组件和落后的数据通信链路。向后归纳能力与数据通信使用的董事会层面实现了电源连接和数据调制器COTS组件组成的单元。归纳链接能够提供125兆瓦在5 V明显的整体电力传输效率。这是通过使用一个有效的类E型开关功率放大器或司机。选择工作频率优化权力交接同时最小化组织电磁场暴露。试验结果表明,原型归纳链接可以传输能量的距离1.16厘米总体链接效率为12.5%。未来的工作将针对系统的进一步优化和小型化。

 2。归纳连接设计

归纳链接使用COTS组件来验证设计的概念归纳为向后数据传输。归纳链接由两个同轴对齐圆形线圈操作作为一个弱耦合的空心变压器的线圈哪一个驻留在人体内部,而另一个是放置在一个外部单位的皮肤。供电系统主要由两个单位:外部主要电力系统单位(电力发射器)和电力系统内部二级单位(功率接收器)。外部单位功能的电源内部单位,也作为数据接收器的内部单元使落后的数据通信。内部单元接收来自传感器的信号调节电路传感器数据处理,转换成一个移频键控调制信号后,将传感器数据发送回外部单位。概述这两个单位和E类功率放大器的设计考虑驾驶在以下部分中提出了初级线圈(见图 1)。

详细的系统框图的归纳链接。

 2.1。设计注意事项 2.1.1。线圈系统

环形线圈系统行为之间的弱耦合的空心变压器内部(主要)和外部系统(二级)的部分,由两个合适的几何的手绕的线圈,磁,电特性。不同参数的选择是基于物理约束,执行性能和与其他系统元素的兼容性。

 2.1.2。选择二次共振

据报道在 21),要么串联或并联谐振可以用来实现最佳耦合效率。对于给定的一组线圈质量的因素( 问 )和低耦合因素(因此低效链接),它已被证明 29日),串联谐振拓扑需要一个非常大的次级线圈电感实现最佳效率联系起来。这些大电感值可能是几乎不可能实现,作为内部次级线圈有大小限制在大多数应用程序中包括植入式生物医学传感器的应用程序。因此,低功耗的链接通常使用二次利用并联共振,使LC坦克作为电压源。大功率,高度耦合的应用程序,它显示了Vandevoorde和普洱茶 29日)以类似的方式,共振方案几乎是可实现的,也可以非常有效。

 2.2。一次侧E类驱动程序的设计

E类功率放大器采用的主要单元驱动线圈的联系(见图 2)这是一个广泛使用的生物医学应用程序拓扑。这是因为理论上E类放大器可以达到功率效率接近100% ( 30., 31日]。操作被选为200 kHz的频率符合电流密度限制设置摘要NCRP(国家辐射防护与测量委员会)规定的最大接触人体组织的射频电磁场( 32]。的主要设计因素之一在E类功率放大器或驱动程序设计的质量因子负载网络( 问 l )。一个正弦电流的假设 l 1 和 C 1 是准确的,只有 问 l 是无限的。此外,输出功率增加 问 l 增加。因此,选择 问 l 涉及到操作带宽较低的(宽之间的权衡 问 l ),输出功率(低的谐波含量高 问 l )和功率损耗的寄生电阻装入网络电感 l 1 和电容器 C 1 (较低的低 问 l )[ 33]。提出归纳链接的目的不仅是提供植入式电子的能力,但也意味着数据通信的内部单位外部单位,因此高 问 l 是不适合的。因此, 问 l 被选小于5。

一个典型的E类功率放大器的示意图。

文献[ 34]总结设计方程和相关方法选择加载网络组件的值E类功率放大器对于一个给定的负载电阻( R l ),加载网络的品质因数( 问 l ),工作频率( f )。总负载电阻被计算放大器 R = R l + 西文 R l 1 + 西文 R C 1 + 1.365 R 在 ⁡ + 0.2116 西文 R C 年代 , 在哪里 R 在 ⁡ 功率晶体管的导通电阻, ESR 是有效的被动组件串联电阻。

设计方程如下( 31日]: C 年代 = 1 2 π f R ( π 2 / 4 + 1 ) π / 2 ( 0.99866 + 0.91424 问 l - - - - - - 1.03175 问 l 2 ) + 0.6 ( 2 π f ) 2 l D , C 1 = 1 2 π f R ( 1 问 l - - - - - - 0.104823 ) ( 1.00121 + 1.01468 问 l - - - - - - 1.7879 ) - - - - - - 0.2 ( 2 π f ) 2 l D , l 1 = 问 l R 2 π f 。 通常情况下, l D 选择这样 X l D 30或更多倍的未经调整的价值 X C 年代 。

在本文中给出的工作,E类放大器不开一个简单的电阻负载;而是驱动变压器装有一些电源管理模块,主要是非线性的性质。然而,为了利用这里提到的设计方程,估计负载电阻( R l ),被主加载网络是必需的。应用变压器原则,反映了二次加载到主方可以使用以下方程: R l = ( ω 米 ) 2 R 年代 , 米 = k l 1 l 2 = V 年代 ω 我 1 , 在哪里 我 1 =初级线圈电流(rms) R 年代 相当于二次阻抗,计算是408.4Ω。

从( 5)和( 6),很明显,有效辅助抗反射回原边取决于线圈之间的互感,因此在初级线圈的自感系数。再次,初级线圈电感的选择依赖于所选择的 问 l 和总阻力被司机( R ),其中 R l 是一个部分。也有其他因素影响初级线圈电感的选择。因此,加载网络的设计的E类放大器需要仔细考虑以下问题:

问 l 加载网络的不应大于5,这限制了 l 1 / R 比;

R l 应占主要部分 R 这下水道放大器的效率,因此,能量传输效率高。仔细选择低导通电阻的功率器件,低ESR活性元素是必要的;

主驱动电路电流可能是大(几百毫安),需要适当的线径的选择;

线圈之间的互感的产物,一次电流和工作频率应该足够大,在二级坦克提供所需的感应电压。

为了充分满足这些指导方针,线圈电感的选择和加载网络参数往往是一个迭代的过程。

最高的优先级的设计过程的联系是实现高度耦合因素的归纳链接。实现这一目标的关键是将大量次级线圈匝数,在原型的物理限制。这是相对容易的,因为目前在二级单位要小得多,允许使用更薄(30 AWG数量)。次级线圈的ESR相比,主也放松。这使得有足够的自身电感在次级线圈(267 μH)以及提供获得高互感不需要放太多在初级线圈。

建立了初级线圈使用AWG数18生产5.8的电感 μh .为了更好的匹配计算的电感, l 1 1.6的保形涂层电感器 μH是补充说,生产总电感7.4 μH在200千赫的ESR 0.29Ω。使用这个值 l 2 和 k 结果 米 = 0.453 7 。 4 × 1 0 - - - - - - 6 × 267年 × 1 0 - - - - - - 6 = 20. 。 14 μ H 和 R l = 1 。 57 Ω 。

大电流、高- - - - - - 问 聚丙烯电容器选择主电路在低ESR(~ 0.024Ω)。使用一个低导通电阻功率MOSFET R 在 ⁡ = 0 。 1 Ω,( 1)生产 R = 1.57 + 0.29 + 0.025 + 1 。 365年 × 0 。 1 + 0 。 2116年 × 0 。 025年 = 2 。 03 Ω 。

使用的调整值 R 和 l 1 , 问 l (再次计算 4): 问 l = 2 π f l 1 R = 4.58 , 这是一个可接受的值加载 问 。

一个大电流,high-inductance环形RF扼流圈被选为 l D 。对于这部分, l D = 481年 μh .替换这个值的计算结果 R 和 问 l 到( 2)和( 3)的收益率 C 年代 = 83年 。 5 nF和 C 1 = 119年 。 3 分别nF。使用前面提到的值 X C 年代 = 9 。 53 Ω, X l D = 604年 。 44 Ω在200 kHz操作频率。

 2.3。线圈的设计

图 3显示了一个示意图的电感耦合电路。

电感耦合电路的示意图。

互感( 米 )两个电感耦合线圈是由( 6)。在共振条件的最佳值 R 2 所需的最大效率可以表示为( 35]: R 2 选择 = R 1 + k 2 问 1 问 2 问 2 2 。 最优效率计算( 35]: η 选择 = k 2 问 1 问 2 ( 1 + 1 + k 2 问 1 问 2 ) 2 。 主要设计目标是实现最大耦合系数( k )可能在给定的几何约束。初级线圈直径最大耦合效率 d 1 是计算 d 1 = d 2 2 + 4 d 2 , 在哪里 d 1 初级线圈的直径, d 2 次级线圈的直径, d 线圈之间的间距。次级线圈的直径, d 2 ,是选择与假设线圈周长7.12厘米的大小将植入系统。使用( 11), d 1 = 7 。 4 cm。二次线圈电感和电容谐振回路计算从以下方程: l 2 = 问 1 问 2 2 π f , C p = 1 ( 2 π f ) 2 l 。

总结归纳给出链接参数表 1。

归纳链接规范。

参数 价值
频率 200千赫
初级线圈( l 1 ) 7.4 μH
次级线圈( l 2 ) 267年 μH
耦合系数( k ) 0.453
负载品质因数( 问 l ) 4.58
电容器( C 年代 ) 83.5 nF
主电容( C 1 ) 119.3 nF
2.4。二次侧电源转换和管理

二级单位由一个谐振回路,后跟一个整流器、一个低通滤波器,箝位电路,电压调节器(见图 4)。一个电容器( C p )被放置在次级线圈( l 2 )形成振荡回路的操作频率的共振的主要驱动线圈。由于并联共振的坦克,它表现为一个交流电压源的二级网络。全波整流和低通滤波器根据谐振槽纠正诱导交流电压在二级罐,然后过滤纠正信号转换成直流信号。一个齐纳二极管( D Z )的箝位电路使用低通滤波器的输出和监管机构之间的输入提供过压保护监管机构输入插口。电压调节器(LT1521-5)是在最后阶段的驱动系统提供一个规范的电源电压。

原理图的系统的归纳为二级单位。

 2.5。落后的数据通信单元

传感器驱动电感从发射机读者(或数据),并将数据传递给读者。低功耗、低数据率低到中等的关键数据发射机的设计要求。振幅键控(问)是最有效的低功耗数字调制方案可用的今天,但它遭受噪声敏感性。为了达到更好的噪声性能,移频键控调制方案被选为落后的数据通信系统。移频键控消耗更多的能量比问但达到优异的噪声性能和较低的设计复杂性。调制单元由一个VCO VCO的输入是数字数据从传感器信号调节电路。作为VCO输出频率信号输入的大小成正比,它生成两个不同频率的逻辑“0”(“空间”)和逻辑“1”(“马克”)水平,分离是分离的数量取决于VCO增益。

德州仪器的CD4046B CMOS集成锁相环芯片低功耗是用作移频键控调制为这项工作。这多功能集成电路由一个线性VCO和两个不同的阶段比较器有一个通用的信号输入放大器和比较器输入和可以操作频率1.2 MHz。只有这个芯片的VCO部分使用适当的时机电阻和电容产生的移频键控的频率。

4046锁相环芯片不能够驾驶低阻抗的无功负荷,尽管数据信号不应干涉二级电源管理块。这两个因素,一个增益级和合适的捕获网络中使用了植入式装置便于数据与次级线圈耦合。谐振回路电路的行为作为一个电感低于共振和电容器的频率高于共振的频率。人们已经发现,平行的感抗二级坦克小于500Ω移频键控中心频率。因此,一个简单的同源性疾病增益级已经添加在调制器的输出(VCO)(见图 5)。增益设置电阻kΩ被选为1,所以,当前的放大器不超过5 mA, 5 V内部供应。一个 n 声道输出的垂直MOSFET (ZVN0120A)已经被用作激活装置。同源性疾病的输出放大器已经连接到次级线圈通过一系列谐振网络,称为一系列陷阱,所以它提供了一个低阻抗的路径的移频键控信号中心频率。一个平行的陷阱组成的 l t 1 和 C t 1 已经使用和次级线圈之间的并行分解产生共鸣的电容器的循环。这个陷阱隔离数据信号从其他电力恢复电路通过提供高阻抗在马克和空间频率,从而使能量回收装置的效果几乎不受影响。

增益级和陷阱网络。

然而的轻微偏移操作频率由于穷人无功分量值和公差附加寄生可能改变谐振条件,导致贫困陷阱网络的性能。因此,陷阱网络使用高精度组件实现最小化错误。

集成锁相环芯片也被用于CD4046B实现移频键控解调。解调器的设计包括选择适当时机resistors-capacitors和回路滤波器的元素。我们可以看到从解调器的原理图如图 6,移频键控信号ac-coupled过滤信号相位比较器的输入。VCO频率设置一样的调制器,和VCO输出连接到相位比较器。之间的相位比较器的输出(PC)和VCO输入,一个被动的电阻-电容低通滤波器是用来拒绝电脑输出的脉动。

解调器的原理图。

 3所示。测量和测试结果

的外部和内部单位感应供电和数据调制器系统上实现印刷电路板(pcb)使用离散的组件。主电源电压保持不变,不同的设计参数。初级和次级线圈是由绕组数的AWG 18号和30号线耦合系数( k )的值非常接近0.453。线圈的电参数测量使用惠普4192 a低频阻抗分析仪,和这些参数用于计算系统的性能。进行观察测量频率的变化的影响,线圈间距,横向偏差和角位移发射机和接收机之间的线圈。遥测数据之间的线圈也被测量,和所有下面的测量结果进行了讨论。

3.1。连接效率

图 7显示了不同的操作频率的不同效率的阴谋。从这个图中,很明显,效率的联系,这是定义为功率的比例交付给接收线圈电源提供的初级线圈,远高于整个系统效率。在操作频率的206 kHz,整个系统效率是12.5%。

效率与工作频率的情节。

系统造成的损失由初级和二级单位电压调节器和负载条件。表 2汇总归纳的转换和效率的关系链接不同的操作频率。图 8提供链接的频率响应曲线的最大工作频率的获得已经达到206千赫。

效率计算的电力转换和链接。

频率 转换效率(通过类E转换器和链接), ηconv= P 二次 / P amp 排水效率, η排水 链接效率, η链接= ηconv/ η排水 负载效率不包括监管机构和栅极驱动损失, ηload_net= P 负载 / P amp 负载效率不包括监管机构但包括栅极驱动损失, ηload_driver= P 负载 / P 司机 整个系统的效率, η系统= P 负载 / P 在
183.8 51.8% 79.0% 65.6% 10.9% 9.2% 3.6%
195.0 61.5% 85.4% 72.0% 16.7% 13.2% 5.3%
206.1 71.2% 92.8% 76.7% 30.5% 20.2% 8.9%
211.9 75.6% 94.0% 80.4% 46.3% 26.0% 12.5%

链接获得与工作频率的阴谋。

如果归纳性质的系统中使用一个植入式生物医学应用程序,线圈的失调可能导致的任何时候发生减少系统的耦合效率。失调通常可以是由于线圈间距的变化,横向错位,或角位移。植入式系统的一个错位或多个失调可以礼物。下面的部分将介绍这些失调的影响提出归纳链接。在进行实验时,只有一个偏差参数是不同的,而其他两个参数保持不变,以隔离每个偏差的影响。

 3.2。线圈间距< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M91 " > < mml: mrow > < mml:莫弹性=“false”> (< / mml:莫> < mml: mrow > < mml: mi > d < / mml: mi > < / mml: mrow > < mml:莫弹性= "假" >)< / mml:莫> < / mml: mrow > < / mml:数学> < / inline-formula >

发射机和接收机线圈连接到单独的有机玻璃董事会以这样一种方式,他们的飞机在相互平行。两个线圈的中心是位于相同的轴,如图 9(一个)。线圈间距 d 可以通过保持不同的发射线圈固定在移动接收线圈沿轴。互感的变化成反比 d 。对于这个实验, d 是不同的从1到4厘米。图 9 (b)显示为 d 超出额定1厘米的距离,增加输出电压却降低了。

发射机和接收机之间的线圈间距变化的影响线圈:(a)方向的线圈(b)变化的输出电压线圈间距的增加。

 3.3。影响横向偏差< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M96 " > < mml: mrow > < mml:莫弹性=“false”> (< / mml:莫> < mml: mrow > < mml: mi mathvariant =“正常”>Δ< / mml: mi > < / mml: mrow > < mml:莫弹性= "假" >)< / mml:莫> < / mml: mrow > < / mml:数学> < / inline-formula >

在这个场景中,线圈的中心背井离乡在水平方向上(图 10 ()),这称为横向偏差( Δ )。线圈的飞机仍然相互平行。线圈间距 d 保持固定在1厘米,而 Δ 是不同的从0到4厘米。测量结果如图 10 (b)表明,增量 Δ 结果在输出电压的衰减。输出电压的衰减是由于减少互感系数成反比 Δ ( 7]。

横向偏差的变化的影响( Δ )发射机和接收机之间的线圈:(一)线圈的方向。(b)的输出电压的变化增加横向错位。线圈间距是固定在1厘米。

 3.4。角位移的< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M103 " > < mml: mrow > < mml:莫弹性=“false”> (< / mml:莫> < mml: mrow > < mml: mi >φ< / mml: mi > < / mml: mrow > < mml:莫弹性= "假" >)< / mml:莫> < / mml: mrow > < / mml:数学> < / inline-formula >

在这种情况下,中心的两个线圈保持在同一轴( Δ = 0 ),但他们的飞机倾斜,形成一个角度 φ (图 (11日)),这称为角位移。线圈间距 d 保持固定在1厘米,而 φ 是不同的从0°- 90°。它是观察到的 φ 增加,输出电压下降由于互感的减少,这是成反比 φ ( 7]。当线圈成为互相正交的平面( φ = 90年 ° ),没有线圈之间的互感,和输出电压降为零。测试结果如图 11 (b)。

插图的角位移( φ发射机和接收机之间的线圈。(一)方向的线圈。(b)的变化输出角位移。线圈间距是固定在1厘米,和横向偏差为零。

 3.5。遥测数据

调制器单元生成121千赫(马克)为逻辑“1”和113千赫(空间)为逻辑“0”的信号。1.5 V的数据信号p - - - - - -p是由一个传感器电路。数据信号然后加上归纳链接系统。开车5 V锁相环集成电路,数据修改使用操作amplifier-based放大器的信号。图 12显示放大移频键控信号和数据的输出的数据通信单元。脉冲信号的频率传递信息传感器的当前水平。

放大信号和移频键控调制单元的输出数据。

对大多数生物医学应用,低数据率满足系统需求( 35]。向后的联系测量,设计数据通信系统运行可靠的数据率10 kbps。图 13显示测量的输出10 kbps数据解调的信号。

解调器输出(蓝色)与10 kbps数据信号(黄色)。

 4所示。结论

无线电力传输和向后数据通信系统使用一个归纳提出了链接。归纳链接的董事会层面的设计是使用COTS组件来实现。测量结果表明125兆瓦的电力传输功率链路传输效率为12.5%。这种力量足以驱动很多低功率电子电路。测量结果显示在效率方面,获得在不同的频率。测试结果还表明线圈分离的变化的影响,横向偏差和角位移。同时向后数据通信也证明有10 kbps的数据速率。未来努力改善这个系统是否适合生物医学植入应用程序将包括进一步小型化归纳链接和改善落后的数据通信方案。

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