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学院李大为老师在无线充电芯片领域取得进展

来源: 日期:2020-11-24 点击:

通讯员 李大为 汪烈

学院模拟集成电路与系统实验室负责人李大为老师课题组在广受关注的无线电力传输(Wireless Power Transmission,WPT)领域取得了新的研究成果,有望应用于植入式医疗设备。相关研究成果论文A wireless power transmission system with load regulation for implantable devices已经发表在IEEE Instrumentation & Measurement Magazine ( Volume: 23, Issue: 4, June 2020) (DOI: 10.1109/MIM.2020.9126074)。

 

随着科技的发展,一些生物医疗设备越来越多的出现在人们的日常生活中,如深脑刺激器,人工耳蜗,心脏起搏器和视网膜假体等。这些设备大部分需要植入到人体内,设备携带的一次性电池往往只能工作5年,电量耗尽后需要替换。而WPT作为备选,可以在体外为可植入设备充电,从而延长了设备的使用寿命,减少了手术更换电池带来的痛苦和风险。

 

图中(a)深脑刺激器, (b)人工耳蜗,

 (c)心脏起搏器, (d)视网膜假体

 

植入式设备中通常包括数字电路,由于数字电路的驱动时钟在Gnd和Vdd之间切换,这可能会造成设备的供电电压剧烈波动,在能量有限的无线环境下甚至会造成整个系统中断。因此,即使对于WPT系统,负载调节能力也是最重要的考量之一。李大为老师提出了一种天线优化设计的具有调节负载能力的无线电力传输系统。通过Matlab仿真了无线电力传输系统中天线的耦合系数,品质因数和能量传输效率的关系,得到最高传输效率的天线参数。在接收端,由于纹波在整流后会加倍,即使通过滤波器滤波后纹波仍会存在,因此在输出端采用了线性稳压器来稳定输出。为了测试系统的负载调节,一个由电阻,运算放大器和IGBT组成的负载调节电路被提出来模拟动态负载电流。

 

demo实物进行测量表明,当输入电压从7V增加到20 V且天线相距70 mm时,该系统的输出电压可以稳定在3.34V。系统达到最大能量传输效率79.3%时,仍然可以维持较大的动态负载电流范围。当负载电流以2.5 mA / 10 ns的速率在12 uA和5 mA之间切换时,输出电压的过冲和下冲分别为150 mV和80 mV,输出电压变化范围小于4.5%,能够满足生医设备的要求。    

图中(a)系统实物图, (b)输出瞬态响应波形

 

    李大为老师从事CMOS集成电路设计10余年,专长为模拟与射频集成电路设计。2018年设计了中南民族大学第一颗芯片,设计基于TSMC 65nm制程,该芯片可用于ECG/EEG/EMG信号检测,序列号为E1V1TM,目前芯片处于第二次改版设计中。

芯片实物图