植入式三线圈自适应无线能量传输系统的设计与研究

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随着科技的发展,植入式生物医疗电子设备的应用日益普及,在生物研究和医学诊断等方面发挥着越来越重要的作用。对于实际的植入式电子设备,电源的长期、稳定及安全供给是至关重要的问题。无线能量传输是当今比较热门的研究领域,它能够透过皮肤将能量源源不断地供应给体内的植入式电子设备,因此被越来越多的植入式医疗电子系统采用。当前无线能量传输的基础是近场互感耦合理论,但传统的互感耦合结构存在传输效率随距离增大迅速下降的缺点,所接收恢复的电源能量随距离变化存在明显波动,容易导致生物体体组织损伤,且实现上大量的分立元件也增加了植入体内的难度。本文以线圈耦合结构、体内集成电路设计及能量反馈控制等角度为切入点,设计了一套具备无线供能自适应调节机制的植入式三线圈能量传输系统。该系统由体外发射、三线圈耦合结构、体内能量收集与电源恢复电路组成,体外发射电路包括驱动电路、功率放大器、LSK解调模块、MCU及数字可控电源,体内能量收集与电源恢复电路主要包括低压差线性稳压源、PWM以及LSK调制电路。对于耦合结构,本文在互感耦合理论的基础上,分析影响其传输效率的关键因素,结合强磁耦合利用高Q值共振器提高远距离传输效率的思路,提出了一种三线圈耦合结构,并对其进行理论推导、仿真及实验验证。结果表明,三线圈耦合结构在中远距离时对传输效率有增强作用;克服了互感耦合结构仅能在特定负载实现最优效率的局限,实现了大负载范围的高效能量传输。同时本文以低功耗、小面积及低复杂度为原则,采用Global Foundry0.18um CMOS工艺对体内能量收集与电源恢复电路进行了版图设计与验证。流片测试结果表明,电源管理模块实现了输出电压1.850V,输出电流102.4mA,静态电流68.43uA,负载调整率为2%,线性调整率为0.9%,电源抑制比在直流时小于-80dB,1MHz时小于-35dB。最后本文提出了一种结合PWM和LSK的反馈控制技术,实验表明,该反馈可有效控制能量的传输,在距离变化时保证接收能量的稳定,提高能量传输的安全性,且能显著提高近距离传输的效率,在距离小于2mm时可提升5.7倍。
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