A High Efficiency Inductive Power Link and Backward Telemetry for Biomedical Applications.docx

生物医疗上的应用的高效率感应式能量传输及反馈遥测技术摘要：高性能的无线电能传输系统可以为植入性设备提供持续的电力供应，由此可以避免电池液泄露和经皮电线造成的皮肤感染等生物危害。本次论文介绍了针对植入性医疗设备的高效能的感应电力传输和反向遥测技术。一个新的高效能的E类功率振荡器激发外部单元，通过共振线圈向内部单元传递能量，改进的整流电路整流和增强复原信号，稳压二极管调节输出直流电压。被拾取的能量用来驱动基于传感器读取电路的环形振荡器，使其产生表示传感器电流变化的数据信号，最终一个负载变化值(LSK)用来反馈给外部单元。本次论文中的系统采用0.5 CMOS集成电路，片外稳压二极管，运算放大器和电感。通过实验证明，系统最终的转换效率为74.0%。1、引言生物医学上微型植入设备的应用，例如，肌肉刺激器，人造耳蜗，或是视觉义肢能够通过检测血液或组织样本，有效的帮助医师收集患者的健康信息。高效能低风险的能量传输方式是植入系统所面对的关键问题。由于电池液泄露的风险和一定充电次数后电池性能的下降，使得肌肉刺激器，人工耳蜗，视觉义肢等植入设备不能采用电池供电。在过去的几十年中，一些研究小组已经着手于利用感应原理的进行能量传输的研究。感应能量传输环节由两个具有一定距离的松耦合共振线圈组成。初级侧放置在人体外部，由工频交流电供电。次级侧植入在人体内部，通过共振从初级侧拾取能量。此前的研究中通常使用螺线管线圈以提高线圈品质因数和获得较高的耦合效率。但在医学应用上，植入设备的放置受到空间限制，平面螺旋线圈不仅可以减小次级侧体积，而且也加强了初级线圈的美化，因此更适用于医疗应用。微型植入设备的另一个重要特性是传感器检测数据的时时无线传输。在本篇论文中，将会涉及一些生物遥测方案例如ASK，FSK等等，这些技术在较低的数据传输率和短距离通信中具有较高的能量传输效率5,6。而感应式能量传输系统的数据发射天线既不是磁耦合线圈也不是独立单元。变负载(LSK)调制方案中如何利用感应耦合系统的负载值的变化已经在医疗植入应用相关的文章7,8中有所介绍。本次论文中，介绍了感应电力系统和反向遥测方案的设计和仿真。初级侧的感应环节通常由包含零压开关高漏极效率(DE)的E类功率放大器(PA)驱动。然而，E类功率放大器需要方波脉冲来驱动电路，这会引发额外的能量损失并且导致较低的能量附加效率(PAE)。在此次设计中，用一个功率振荡器 (POSC)来替换PA，用来避免驱动电路的损失，达到较高的PAE。在感应系统的次级侧，基于整流器的耦合场效应管负责整流，放大接收的能量信号，基于稳压器的片外齐纳二极管调节输出电压充当植入传感器单元的电源。接收到的能量用于驱动一个基于传感器读数电路的振荡器，用来产生传感器电流变化的数据信号，最终负载变化关键值(LSK)用来反馈给外部单元。功率振荡器和改进的整流单元可以使系统达到较高的频率。系统由采用工艺CMOS以及片外稳压二极管和电感组成。系统耦合频率采用，以减少线圈尺寸并且满足FCC标准。耦合系数采用0.45以模拟松耦合线圈。微分互感功率振荡器能够将输出能量加倍，过滤谐波信号，达到超过90%的转换效率。系统的总体能量转换效率能达到74.21%。论文结构如下。第二章中所设计系统框架的简介，第三章为方针结果，第四章为结论和展望。2、系统框架图1所示为感应供电系统和反向遥测设计的原理框图。感应供电系统的核心是微分功率振荡器(POSC)，它能够激励初级侧的共振线圈，通过磁通耦合向次级侧传输能量。次级侧拾取的能量通过整流和调节使其能供应传感器读出模块。传感器读出电路生成的数据传递给LSK调制器，通过同一个感应能量线圈反馈感器数据。LSK的数据是一次侧负荷变化的反应用来调制能量信号的振幅。能量信号载波的复原，表明传感器读书电路数据已经传递给初级侧。所有模块的详细表述如下图所示。A、微分功率振荡器感应式供电系统的关键模块是外部的电力传输单元。通常用一个E类PA驱动外部的感应线圈。然而，因为PA驱动电路的功率损失导致E类PA具有较低的PAE。功率振荡器方案和注入锁定设计已经被研究证明，可以与通常的E类PA系统一起改善无线传感器网络应用系统的总体传输效率。在此次设计中使用了一个基于微分POSC的交叉耦合的场效应管，用来使能量传输系统达到较高的PAE。交叉耦合场效应管结构已经广泛的应用于产生阴极跨导来补偿LC电压控制振荡器的损耗。交叉耦合结构启动条件宽泛，容易实行。此次设计中通过将常规E类PA的负载网络和反向场效应管结构相结合形成一个微分POSC。负载网络的串联电感也像能量传输系统的初级侧线圈一样工作。在交叉耦合结构的底部，一个LC振荡电路以两倍于振荡器的频率震荡，过滤掉不需要的谐波。使用半对称性微分POSC振荡器频率可以如下表示： (1)其中L是电感系数，和分别是微分输出的漏极端的电容量和反馈端电容量。所需的场效应管跨到定义如下： (2)其中，为品质因数，为电感的串联阻抗。表示负载网络的有效电阻和次级线圈的反射阻抗。B、感应线圈感应能量传输部件结构如图3所示，由外部线圈和内部线圈组成。为了达到共振，外部线圈串联电容，内部线圈并联电容。文献表明通过串联共振由电源部件转移到外部线圈的能量可以达到最大化，然而，并联共振会使内部部件的输出电压达到最大。外部线圈施加的交变电流信号产生了磁通量。一部分磁通量与内部线圈耦合，并使内部线圈产生感应电压。内部线圈产生的感应电压为植入设备提供电能。考虑到植入设备的等效电阻，向负载传递的功率可是表示为： (3)最终，如果有能量源传递过来的能量称为，那么系统传递效率的定义为： (4)C、整流器和稳压器整流器和稳压器的方框图如图4所示。来自次级线圈经过复原后的交流信号接入交叉耦合场效应管结构的共振源端。交叉耦合结构整流交流信号，LC震荡电路过滤并提高输出的直流信号。最终基于稳压二极管和电容器的稳压器稳定直流信号。然而，整流器和稳压器良好的性能是以片外部件为代价的。D、传感器读出电路如图1所示，传感器读出电路基本上是以3阶逆变器为基础的环形振荡器。从任何一个电流传感器引入的输入电流都作为电流镜像轮流控制环形振荡器的栅极电流。振荡器频率如下定义： (5)其中C为每一阶的电容值，为震荡幅度，为传感器电流，N为阶数。作为结果，环形振荡器产生频率与传感器电流大小相关联的数字脉冲。E、反向遥测单元为了反向传输传感器数据，设计中应用了LSK方案。传感器读出模块产生的数字脉冲与在供给和次级单元基线之间连接在一起的一系列场效应管与电阻器相耦合。依赖数字脉冲的等级，LSK整幅单元增加了格外的感应供电系统初级侧的负载变化的映射电流。所以能量信号的载波被调整为和数字脉冲频率一致。F、数据恢复单元微分POSC系统的底部如图2所示，也能帮助提取数据信号。完整的数据恢复单元电路图如图5。经过LSK调节的能量信号载波到达底部震荡电路后载波频率是振荡器基频的两倍。载波信号首先经过反向低增益放大器。由于放大器的频率响应很低，LSK的高频分量被过滤掉，剩下的只是载波信号。载波信号然后转移到一个中等增益的放大器进一步放大，使得信号可以被数字处理器使用。3、仿真结果本次设计和仿真的系统采用CMOS工艺。MOSIS提供的场效应管模型用来模拟不同加工方式的电路。片外电感器，稳压二极管，过滤电容被认为为了更好能效的是面积代价。考虑到医疗设备的应用环境所有模拟都是在室温下进行。图6所示为微分POSC的漏电压和漏电流。为了模拟一个简易的感应器模型将每一个电感都串联上一系列电阻器。从表6中可以明显看出理想的零压开关达到了保证像典型E类PA一样较低开关损耗的目的。图7所示为不同加工界限的微分POSC的性能。POSC的优势在于不需要驱动信号保证了最优的PAE。微分POSC产生的交替信号通过线圈与内部单元耦合。图8所示为内部单元的交流信号经过过滤和整流，复原成的直流信号。在图8中上层轨迹表明复原的11直流输出功率，下层轨迹表示的是14.83的输入功率。所以系统总得传输效率为。线圈的耦合系数认定为0.45，以适合生物医学领域的应用，线圈距离大约为1。系统频率为，适应于穿透皮肤，符合FCC标准。复原的直流信号用于驱动基于传感器读数电路的环形振荡器。读数电路将传感器电流作为输入生成数字脉冲，使得脉冲频率大小与传感器电流大小相一致。生成的数字脉冲供给给LSK调制器模块用来使用相同的能量传输线圈进行反向遥测。图9表明数据信号通过传感器读数电路生成，而且与外部单元的LSC调制器信号相一致。LSK调制器信号从微分POSC底部的LC振荡电路中提取，供给数据复原单元。图10所示为数据发生模块在不同过程点的效能。从图10中可以明显看到除了FF过程之外其他过程点的性能曲线几乎为线性。最后在图11中描绘了跟随内部单元生成的数据信号频率的复原数据信号。恢复后的数据信号能后被数字处理器进一步处理。4、结论本篇论文中描述了一个高效率的感应供电系统和反向遥测设计。此次设计中用一个高效率的微分POSC代替了常规的E类PA，达到了较高PAE的目的。此系统通过