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.

Revision: Auto-Resonant Tuning for Capacitive Power and Data Telemetry Using Flexible Patches

  Este artículo muestra un C-WPDT resonante, con frecuencia de portadora entre 0.1 y 3.5 MHz hasta 170 kbps para implantes biomédicos a 8mm. En el transmisor se compone de circuito de administración  a de energía, un microcontrolador MSP430F5528, un transceptor Bluetooth y un controlador de clase D. en el receptor usa rectificador, un circuito de administración de energía, un decodificador de datos, un microcontrolador y un estimulador eléctrico , parches flexibles, conformables y biocompatibles, alcanzando una potencia de 150 mW y una eficiencia del 54\% en piel de 1,5 a 2 mm de espesor

• Estructura del sistema: El sistema C-WPDT consta de una unidad lateral externa y una unidad lateral del implante, ambas fabricadas en placas de circuito impreso (PCB). La unidad externa incluye componentes como un circuito de administración de energía, un microcontrolador, un transceptor Bluetooth y un controlador de clase D, mientras que la unidad de implante incluye un rectificador, un circuito de administración de energía, un decodificador de datos, un microcontrolador y un estimulador eléctrico [1].

• Fases de operación: el sistema funciona mediante redes sintonizadas por resonancia con parches capacitivos flexibles. Incluye una sección de calibración autorresonante para compensar las variaciones de los parámetros de la interfaz en tiempo real. El sistema logra la transferencia simultánea de energía y datos a través del tejido ex vivo para controlar un estimulador eléctrico [2].

• Hardware clave: Entre los componentes de hardware más destacados se incluyen un controlador de potencia de clase D con ajuste automático de resonancia y un decodificador de datos adaptativo en la parte del implante para una recuperación de datos fiable [1] [3].

• Parámetros logrados: El objetivo del sistema es mejorar la eficiencia de la transferencia de energía (PTE) y la pérdida de suministro de energía (PDL) ajustando las frecuencias de resonancia y utilizando parches flexibles, conformes y biocompatibles. Se logra un PTE máximo de 54 a una frecuencia de operación baja de 1,6 MHz [4].

  
  
  

• Información relevante para el diseño: El sistema utiliza una técnica de calibración de la frecuencia portadora sin necesidad de retrotelemetría, lo que proporciona alimentación inalámbrica y capacidades de transferencia de datos. Funciona a bajas frecuencias para gestionar la desintonización resonante de forma eficaz con un presupuesto de energía reducido [5].

• Metodología: La metodología consiste en utilizar redes sintonizadas por resonancia con parches capacitivos, implementar la calibración autorresonante para obtener una compensación en tiempo real y lograr la transferencia inalámbrica de energía y datos a través del tejido [2].

• Resultados: El sistema demuestra satisfactoriamente las capacidades inalámbricas de transferencia de datos y alimentación a través del tejido, lo que permite lograr mejoras significativas en la PTE y la PDL. El sistema funciona de manera eficiente a bajas frecuencias, lo que simplifica los requisitos de diseño [4] [2].

• Conceptos teóricos: El sistema explica conceptos como el ajuste de la frecuencia de resonancia, el ajuste de la red de distribución de energía y el impacto de la flexión en los parámetros de los parches. Destaca la importancia de comprender los parámetros de enlace para la gestión de los cambios de frecuencia [6].

• Aplicaciones: El sistema C-WPDT encuentra aplicaciones para alimentar y controlar estimuladores eléctricos de forma inalámbrica a través del tejido, lo que demuestra su potencial en las tecnologías de implantes biomédicos [2].

El WPDT capacitivo (C-WPDT)

Los parches flexibles y conformables

una técnica de calibración de frecuencia portadora para la estrategia C-WPDT con parches flexibles sin necesidad de retrotelemetría

 Discutimos el modelo de interfaz CWPDT subyacente y el diseño del sistema en la Sección II,

 la configuración experimental y los resultados en la Sección III, 

y las conclusiones en la Sección IV

Usos

 implantes biomédicos a través de un enlace capacitivo resonante.

Materiales

láminas de cobre encapsuladas en Kapton

estructura

 Se adoptan parches flexibles, conformables y biocompatibles con una técnica de calibración automática de frecuencia resonante por primera vez. 

Se han desarrollado una red de retroalimentación de voltaje, un controlador de clase D y un algoritmo personalizado para la calibración de baja sobrecarga. 

Diagrama de bloques del sistema de unidades externas e internas (IMD) para energía inalámbrica y telemetría de datos mediante parches capacitivos

Diseño del sistema El sistema de implante C-WPDT propuesto adopta una red sintonizada resonante mediante el uso de parches capacitivos flexibles con superficie aislada (P1 a P4). El diagrama de bloques del sistema se muestra en la Fig. 3 (a). El lado/unidad externo consta de un circuito de administración de energía, un microcontrolador, un transceptor Bluetooth de baja energía (BLE), un controlador Clase D (un convertidor de puente H que incluye interruptores S1 a S4 junto con inductores de sintonización resonantes L1 y L2) y una red de retroalimentación para una operación automática de calibración de frecuencia resonante. El lado del implante consta de un puente rectificador Schottky, un filtro condensador, un circuito de gestión de energía, un decodificador de datos adaptativo, un microcontrolador de potencia ultrabaja y un estimulador eléctrico. El implante y las unidades externas se realizan en placas de circuito impreso (PCB), como se analiza más adelante en la Sección III

Parametros

Experimentos basados ​​en tejido de piel de pollo ex vivo con parches capacitivos conformables y flexibles de 4 cm2 demostraron el método.  

Los resultados experimentales muestran que la potencia entregada a la carga (PDL) del enlace se extiende hasta 150 mW 

 la máxima eficiencia de transferencia de potencia (PTE) del enlace es del 54%. 

Se ha logrado una transferencia de datos simultánea con una velocidad de hasta 170 kbps 

junto con la transferencia de potencia utilizando tejido de piel biológica de 1,5 a 2 mm de espesor.

Funcionamiento

(a) Diagrama de bloques del sistema de unidades internas y externas (IMD) para telemetría de datos y energía inalámbrica mediante parches capacitivos. (b) La arquitectura de la calibración automática de frecuencia de resonancia junto con la red de retroalimentación. (c) Un algoritmo de detección de picos digitales para la calibración o sintonización automática de frecuencia de resonancia.

Configuración de medición utilizando sondas diferenciales activas (AD) para adquisición de datos PTE y PDL.

 presentó un esquema capacitivo para transferir energía y datos simultáneamente a través de tejidos de piel biológicos in vitro. Los parches capacitivos presentados son flexibles, conformables y biocompatibles, y están hechos de láminas de cobre encapsuladas en Kapton.

 Se ha desarrollado un controlador de potencia basado en amplificador de clase D, una red de retroalimentación y un algoritmo novedoso que presenta calibración y ajuste automáticos de la frecuencia portadora resonante.

 El esquema demostró un enfoque práctico para compensar los cambios en los parámetros del modelo de enlace capacitivo equivalente, sin ningún hardware adicional en el lado del implante o telemetría posterior. También se ha informado de una demostración de aplicación para controlar un estimulador eléctrico implantable a través de una aplicación de teléfono inteligente.

La salida de un solo extremo se alimentó a un ADC de 12 bits en el microcontrolador (MSP430F5528, Texas Instruments, EE. UU.). El firmware lee los datos del ADC mientras recorre un rango de frecuencias portadoras (por ejemplo, 100 kHz a 3,5 MHz; 70 kHz o 48 pasos). El voltaje portador óptimo/más alto posible aparece entre los parches P1 y P2, a una frecuencia de resonancia particular. El microcontrolador registra el voltaje y la frecuencia correspondientes a través del hardware de la red de retroalimentación, así como el algoritmo de detección de picos digital en el software

Bibliografia

[1] S. Nag, A. Koruprolu, S. M. Saikh, R. Erfani, and P. Mohseni, “Auto-Resonant Tuning for Capacitive Power and Data Telemetry Using Flexible Patches,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 67, no. 10, pp. 1804–1808, Oct. 2020, doi: 10.1109/TCSII.2019.2955568.