Revision: Resistive Matching using an AC Boost Converter for Efficient Ultrasonic Wireless Power Transfer

Se presenta un diseño que combina un receptor piezoeléctrico HSMS282X y un circuito de conversión de energía con un convertidor elevador, transformando el voltaje de CA en un voltaje de onda cuadrada modulada por ancho de pulso. El receptor piezoeléctrico de PZT4 tiene una eficiencia máxima de 74 \% en 1 mW .

 potencia eléctrica máxima disponible es de 8,71 mW. 

l inductor real tiene una inductancia de 100 µH, una frecuencia de autorresonancia típica de 13 MHz ( fsw), una resistencia CC máxima de 12,25 Ω y un volumen de 2,3 mm3 (Coilcraft XFL2006-104ME). Dos transistores NMOS, compuestos por 3 dispositivos paralelos de 500 nm × 20 µm, que funcionan como un interruptor bidireccional, están diseñados con una tecnología estándar de 500 n

El método de refuerzo de CA es el más eficiente para todo el rango de potencia; alrededor de Pload = 1 mW, la eficiencia es del 74 % y cae al 22 % para Pload = 0,01 mW. Para Pload = 2 mW, el método estándar también tiene una eficiencia del 74 %, pero para diferentes niveles de potencia, la eficiencia es mucho menor; para Pload = 0,1 mW, la eficiencia ya ha caído al 23 %. El método de frecuencia variable es tan eficiente como el método de refuerzo de CA desde Pload = 0,01 mW hasta Pload = 0,1 mW, pero para niveles de potencia más altos, la eficiencia es menor que la del método de refuerzo de CA.

Presenta un método para aumentar la conversión de potencia de los receptores ultrasónicos en dispositivos médicos implantables. 

LA WPT en los equipos medicos En los dispositivos médicos implantables (IMD)

PROPIEDADES MATERIALES DE UN ELEMENTO PZT4

DISEÑO DE AC BOOST: EMULACIÓN DE RESISTENCIA

Materiales

 El rectificador es un rectificador de RF Schottky (Avago HSMS282X)

Aporte

Para obtener la máxima transferencia de potencia, se requiere una adaptación conjugada compleja perfecta entre el receptor piezoeléctrico y el circuito de conversión de potencia. 

Funcionamiento

Un convertidor elevador delante del rectificador permite una adaptación resistiva casi perfecta. El convertidor elevador transforma el voltaje de CA en un voltaje de onda cuadrada modulado por ancho de pulso. Esto ahorra una transformación de impedancia adicional entre el receptor y el rectificador

Se requiere un rectificador entre el receptor piezoeléctrico y el elemento de almacenamiento, y

Estructura

Fig. 2. Diagrama de bloques general de transferencia de energía inalámbrica ultrasónica a un elemento de almacenamiento de energía.

Diagramas de bloques de los tres métodos basados en el diagrama de bloques general de la Fig. 2. Método estándar: sin transformaciones de impedancia extra. ZF 1.5 MRayls ZB 400 Rayls Fig. 2. Diagrama de bloques general de transferencia de energía inalámbrica ultrasónica a un elemento de almacenamiento de energía. en Método de variación de frecuencia: varía a través de la banda inductiva con bancos de capacitores sintonizables y un convertidor elevador de CC. Método de refuerzo de CA: con un convertidor de refuerzo de CA que funciona como emulación de resistencia.

Para obtener la máxima transferencia de potencia en la alimentación inalámbrica ultrasónica de IMD, 

 se necesitan dos transformaciones de impedancia, una en el lado del receptor del rectificador y otra en el lado de almacenamiento del rectificador. El método estándar sin transformaciones de impedancia agregadas es el menos eficiente, como se esperaba.

 El método de frecuencia variable con bancos de condensadores sintonizables, es más eficiente pero se requieren bancos de condensadores totalmente sintonizables, se necesita comunicación continua, que tiene un retraso y consume energía, y se producen pérdidas adicionales tanto en el tejido como en el receptor. .

El método de refuerzo de CA con un convertidor elevador en el lado de CA,  permite la adaptación de impedancia resistiva en un amplio rango de potencia de salida y tiene la mayor eficiencia energética. Solo requiere una transformación de impedancia, a saber, el convertidor elevador.

El método propuesto se puede mejorar aún más haciendo un diseño de CI completo de este concepto. El rectificador podría estar hecho de componentes activos y sincronizado con el interruptor elevador. El control también se podría mejorar implementando una estimación de energía para que el interruptor solo se cierre cuando el inductor tenga suficiente energía para superar el voltaje de encendido del rectificador y cargar el elemento de almacenamiento.

 El rectificador es un rectificador de RF Schottky (Avago HSMS282X). Suponemos un condensador como elemento de almacenamie

PArametros

 El receptor piezoeléctrico está fabricado de PZT4, tiene una frecuencia de resonancia de 987 kHz con una eficiencia de conversión de energía de 1,0, tiene un grosor de 1,5 mm y un ancho y largo de 1,1 mm. La potencia eléctrica máxima disponible es de 8,71 mW. 

l inductor real tiene una inductancia de 100 µH, una frecuencia de autorresonancia típica de 13 MHz ( fsw), una resistencia CC máxima de 12,25 Ω y un volumen de 2,3 mm3 (Coilcraft XFL2006-104ME). Dos transistores NMOS, compuestos por 3 dispositivos paralelos de 500 nm × 20 µm, que funcionan como un interruptor bidireccional, están diseñados con una tecnología estándar de 500 n

El método de refuerzo de CA es el más eficiente para todo el rango de potencia; alrededor de Pload = 1 mW, la eficiencia es del 74 % y cae al 22 % para Pload = 0,01 mW. Para Pload = 2 mW, el método estándar también tiene una eficiencia del 74 %, pero para diferentes niveles de potencia, la eficiencia es mucho menor; para Pload = 0,1 mW, la eficiencia ya ha caído al 23 %. El método de frecuencia variable es tan eficiente como el método de refuerzo de CA desde Pload = 0,01 mW hasta Pload = 0,1 mW, pero para niveles de potencia más altos, la eficiencia es menor que la del método de refuerzo de CA.

Bibliografia

[1] M. Bisschop and W. Serdijn, “Resistive Matching using an AC Boost Converter for Efficient Ultrasonic Wireless Power Transfer,” 2019 IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC), pp. 620–623, 2019.