A triple-loop wireless power transmission (WPT) system equipped with closed-loop global power control, adaptive transmitter (Tx) resonance compensation (TRC), and automatic receiver (Rx) resonance tuning (ART) is presented. This system not only opposes coupling and load variations but also compensates for changes in the environment surrounding the inductive link to enhance power transfer efficiency (PTE) in applications such as implantable medical devices (IMDs). The Tx was built around a commercial off-the-shelf (COTS) radio-frequency identification (RFID) reader, operating at 13.56 MHz. A local Tx loop finds the optimal capacitance in parallel with the Tx coil by adjusting a varactor. A global power control loop maintains the received power at a desired level in the presence of changes in coupling distance, coil misalignments, and loading. Moreover, a local Rx loop is implemented inside a power management integrated circuit (PMIC) to avoid PTE degradation due to the Rx coil surrounding environment and process variations. The PMIC was fabricated in a 0.35- μm 4M2P standard CMOS process with 2.54 mm2 active area. Measurement results show that the proposed triple-loop system improves the overall PTE by up to 10.5% and 4.7% compared to a similar open- and single closed-loop system, respectively, at nominal coil distance of 2 cm. The added TRC and ART loops contribute 2.3% and 1.4% to the overall PTE of 13.5%, respectively. This is the first WPT system to include three loops to dynamically compensate for environment and circuit variations and improve the overall power efficiency all the way from the driver output in Tx to the load in Rx

چکیده

یک سیستم انتقال قدرت بی سیم سه حلقه­ ای (WPT) مجهز به کنترل حلقه بسته سراسری، جبرانسازی رزونانس تطبیقی فرستنده (TX) (TRC)، و تنظیم رزونانس اتوماتیک گیرنده (RX) (ART) در این مقاله ارائه شده است. این سیستم نه تنها تغییرات کوپلینگ و بار را در نظر می­ گیرد بلکه جبرانسازی را برای تغییرات در محیط اطراف لینک القایی جهت افزایش بهره وری انتقال توان (PTE) را در اپلیکیشنهایی از قبیل دستگاه های پزشکی قابل کاشت (IMDS) به کار گرفته است. فرستنده Tx در اطراف یک محصول عمومی آماده (COTS) تگ ریدر شناساگر فرکانس رادیویی (RFID) که در فرکانس 13.56 مگاهرتز کار می ­کند، ساخته شده است. یک حلقه Tx محلی می­ تواند با تنظیم وارکتور (واكنشگر متغير)، خازن بهینه که به صورت موازی به سیم پیچ Tx متصل شده است را بیابد. یک حلقه سراسری کنترل توان توان دریافتی را در سطح مورد نظر در شرایط تغییرات فاصله کوپلینگ، عدم تطبیق سیم پیچ­ ها، و بارگذاری­ ها حفظ می­ کند. علاوه بر این، یک حلقه Rx محلی در داخل یک مدار مدیریت یکپارچه توان (PMIC) برای جلوگیری از تخریبPTE با توجه به حضور سیم پیچ Rx در اطراف محیط و تغییرات فرآیند، پیاده سازی شده است. لازم به ذکر است PMIC تحت فرآیند استاندارد CMOS با مشخصات 0.35-میکرومتر 4M2P با مساحت 2.54 میلیمتر مربع ساخته شده است. نتایج اندازه گیری­ ها نشان می دهد که سیستم سه حلقه ­ای پیشنهادی PTE کلی را به ترتیب در مقایسه با یک سیستم حلقه باز و بسته مشابه، در فاصله سیم پیچ نامی 2 سانتی متر،  10.5٪ و 4.7٪ بهبود می بخشد. همچنین لوپ­ های TRC و ART اضافه شده، به ترتیب 2.3٪ و 1.4٪ بهPTE کلی 13.5٪ کمک می ­کند. این اولین سیستم WPT­ای می ­باشد که شامل سه حلقه است و می­ تواند به صورت دینامیکی تحت شرایط تغییرات محیطی و تغییرات مداری جبران ­سازی انجام دهد و بهره وری توان کلی را از خروجی درایور Tx تا بار لود شده در RXبهبود بخشد.

1-مقدمه

انتقال توان القایی در بسیاری از دستگاه های پزشکی قابل کاشت (IMDS) به منظور افزایش عملکرد آنها با افزایش تعداد الکترود، جریان تحریک، و نرخ محرک [1]-[6] استفاده شده است. در مقایسه با باتری­ ها یا اتصالات ترانس ­ها، تأمین انرژی القایی، برای بیماران ایمن ­تر، راحت تر است و از نظر ابعادی نیز در اندازه ­های کوچکتر قابل تحقق است. لینک­ هایی القایی نیز در بلوک شناسایی فرکانس رادیویی با میدان الکتریکی نزدیک به هم (RFID) جهت تامین توان و ارزیابی عملکرد فرستنده استفاده شده اند [7]...