JP2023523717A - 電力レシーバのためのリアルタイム共振適合のための装置および方法 - Google Patents

電力レシーバのためのリアルタイム共振適合のための装置および方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2023523717A
JP2023523717A JP2022563938A JP2022563938A JP2023523717A JP 2023523717 A JP2023523717 A JP 2023523717A JP 2022563938 A JP2022563938 A JP 2022563938A JP 2022563938 A JP2022563938 A JP 2022563938A JP 2023523717 A JP2023523717 A JP 2023523717A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power
capacitor bank
capacitor
transmitter
sensor chip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022563938A
Other languages
English (en)
Inventor
ホンミン リュ，
アイディン ババカニ，
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of California
Original Assignee
University of California
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of California filed Critical University of California
Publication of JP2023523717A publication Critical patent/JP2023523717A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/372—Arrangements in connection with the implantation of stimulators
    • A61N1/378—Electrical supply
    • A61N1/3787—Electrical supply from an external energy source
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/005—Mechanical details of housing or structure aiming to accommodate the power transfer means, e.g. mechanical integration of coils, antennas or transducers into emitting or receiving devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/10—The network having a local or delimited stationary reach
    • H02J2310/20—The network being internal to a load
    • H02J2310/23—The load being a medical device, a medical implant, or a life supporting device
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/69—Spread spectrum techniques
    • H04B1/7163—Spread spectrum techniques using impulse radio
    • H04B1/71635—Transmitter aspects

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

ワイヤレス給電レシーバシステムおよびセンサが、説明される。ある実施形態では、電力レシーバシステムは、外部トランスミッタからワイヤレス電力を受け取る誘導コイルと、エネルギー採集デバイスへの電力伝達を最適化するコンデンサバンクと、誘導コイル上の変化に適合するようにコンデンサバンクの設定をリアルタイムに適合させ、電力伝達効率を最大限にする、定期的に有効にされる閉フィードバックループを伴う電力受取フロントエンドＲＦ－ＤＣ整流器とを含む。

Description

（発明の分野）
本発明は、概して、電力レシーバのためのリアルタイム共振適合に関し、より具体的には、数μＷ～数百μＷの電力範囲において、埋込可能医療用デバイス（ＩＭＤ）および他のエネルギー採集デバイスのための誘導性電力受取を行うシステムオンチップソリューションに関する。
（背景）
ワイヤレス電力伝達は、医療用インプラントに関して幅広く使用されてきた。埋込可能医療用デバイス（ＩＭＤ）のためのリアルタイムの調整された電力伝達は、主に、ＩＭＤの電力消費がｍＷ～Ｗの範囲内にあるシナリオに取り組んできた。それと同時に、より少ない電力消費および関連付けられた侵襲性を伴うＩＭＤが、着目されてきた。
（発明の概要）
本発明の多くの実施形態は、電力伝達効率を最大限にするための電力レシーバシステムを対象とする。一実施形態は、電力レシーバシステムを含み、電力レシーバシステムは、外部トランスミッタからワイヤレス電力を受け取る誘導コイルと、エネルギー採集デバイスへの電力伝達を最適化するコンデンサバンクと、誘導コイル上の変化に適合するようにコンデンサバンクの設定をリアルタイムに適合させ、電力伝達効率を最大限にする、定期的に有効にされる閉フィードバックループを伴う電力受取フロントエンドＲＦ－ＤＣ整流器とを含む。
別の実施形態では、コンデンサバンクは、Ｄｉｃｋｓｏｎ段パッシブ整流器と並列に実装されているバイナリ加重コンデンサバンクを含む。
さらなる実施形態では、閉フィードバックループは、異なる誘電体環境、装荷条件、および加工不整合のうちの少なくとも１つに起因する共振変動を軽減する。
さらなる別の実施形態では、コンデンサバンクは、逐次比較型共振チューニングプロセスを使用して定期的に調節される６ビットのコンデンサバンクである。
さらなる実施形態では、閉フィードバックループは、２つのホールドコンデンサ上で、それぞれ、２つの連続コンデンサバンク選択に対応するスイングを検出し、サンプリングすることを含む。
さらなる別の実施形態では、誘導コイルのインピーダンスは、共振コンデンサのオフセットに対してほぼ対称である。
さらなる実施形態では、電力レシーバは、外部コントローラに情報を伝送するトランスミッタを含む。
別の付加的な実施形態では、トランスミッタは、出力電圧調整のためのバックテレメトリとしての超広帯域インパルス無線（ＩＲ－ＵＷＢ）トランスミッタであり、ＩＲ－ＵＷＢトランスミッタからの出力電圧は、リアルタイムの採集電圧の読取値を伝送するバックテレメトリに基づいて調整される。
さらなる付加的な実施形態では、電力消費を低減させるために、動作が、ヘビーデューティサイクリングされる。
さらなる実施形態では、電力レシーバシステムは、内部回路網のための電圧供給源を生成する粗バンドギャップリファレンス（ＢＧＲ－粗）およびローカル低ドロップアウトレギュレータ（ＬＤＯ）と、安定な電圧リファレンスを生成する細バンドギャップリファレンス（ＢＧＲ－細）とを含む。
別の実施形態は、外部トランスミッタからワイヤレス電力を受け取る誘導コイルと、センサチップ周辺の異なる外部環境のための異なる設定を規定するコンデンサバンクと、周辺環境に適合するようにコンデンサバンクの設定をリアルタイムに適合させる、定期的に有効にされる閉フィードバックループを伴う電力受取フロントエンドＲＦ－ＤＣ整流器と、コンデンサ設定および電圧の読取値に関連する情報を外部コントローラに伝送するトランスミッタとを含む。
さらなる実施形態では、コンデンサ設定は、周辺環境内の物質のタイプを決定するために使用される。
さらなる実施形態では、誘導コイルのインピーダンスに対する変化は、結果として、コンデンサ設定に対する変化をもたらし、周辺環境内の近接場の変化を検出するために使用される。
さらなる実施形態では、コンデンサ設定に対する変化を伴わない、電圧の読取値に対する変化は、周辺環境内の遠方場を検出するために使用される。
さらなる実施形態では、コンデンサバンクは、Ｄｉｃｋｓｏｎ段パッシブ整流器と並列に実装されているバイナリ加重コンデンサバンクを含む。
さらなる実施形態では、閉フィードバックループは、異なる誘電体環境、装荷条件、および加工不整合のうちの少なくとも１つに起因する共振変動を軽減する。
さらなる実施形態では、コンデンサバンクは、逐次比較型共振チューニングプロセスを使用して定期的に調節される６ビットのコンデンサバンクである。
さらなる実施形態では、閉フィードバックループは、２つのホールドコンデンサ上で、それぞれ、２つの連続コンデンサバンク選択に対応するスイングを検出し、サンプリングすることを含む。
さらなる実施形態では、誘導コイルのインピーダンスは、共振コンデンサのオフセットに対してほぼ対称である。
さらなる実施形態では、トランスミッタは、出力電圧調整のためのバックテレメトリとしての超広帯域インパルス無線（ＩＲ－ＵＷＢ）トランスミッタであり、ＩＲ－ＵＷＢトランスミッタからの出力電圧は、リアルタイムの採集電圧の読取値を伝送するバックテレメトリに基づいて調整される。
（図面の簡単な説明）
図１は、本発明の実施形態による誘導性電力レシーバの回路アーキテクチャを図示している。
図２は、本発明の実施形態による、デューティサイクリングのためのシステム適時選択スケジュールを図示している。
図３は、本発明の実施形態による、ＳＡＲＴを伴う電力受取フロントエンドの回路概略図を図示している。
図４は、本発明の実施形態による４ビットシナリオ内の逐次比較プロセスを図示している。
図５は、本発明の実施形態による６ビットＳＡＲＴの適合のための論理フロープロセスを図示している。
図６は、本発明の実施形態による、３ＶのＶＯＵＴにおける異なるＩＬＯＡＤに関する整流器の効率を図示している。
図７は、本発明の実施形態による、１μＡ、３μＡ、１０μＡ、および３０μＡのＩＬＯＡＤに関する異なるＶＯＵＴにおける整流器の効率をそれぞれ図示している。
図８は、本発明の実施形態による（ａ）各スイッチドコンデンサユニットの回路概略図、および（ｂ）６ビットスイッチドコンデンサバンクアレイのレイアウトを図示している。
図９は、本発明の実施形態によるＴｘおよびＲｘコイルを図示している。
図１０は、本発明の実施形態による、Ｒｘコイルにおける共振コンデンサオフセットに対する正規化されたリンク効率を図示している。
図１１は、本発明の実施形態による、ボトムサンプリングＳＡＲ ＡＤＣの回路概略図を図示している。
図１２は、本発明の実施形態によるＩＲ－ＵＷＢトランスミッタの回路概略図を図示している。
図１３は、本発明の実施形態によるオンチップＵＷＢフィルタのＳ２１を図示している。
図１４は、本発明の実施形態によるＵＷＢインパルスの（ａ）過渡波形、および（ｂ）周波数スペクトルを図示している。
図１５は、本発明の実施形態による電力レシーバＩＣの顕微鏡写真を図示している。
図１６は、本発明の実施形態による電力の内訳を図示している。
図１７は、本発明の実施形態による測定設定を図示している。
図１８は、本発明の実施形態による、ワイヤレス測定ＡＤＣ出力コード対採集された電圧を図示している。
図１９は、本発明の実施形態によるＡＤＣのＩＮＬを図示している。
図２０は、本発明の実施形態による、サンプル（ｂ）＃Ｂが付加的１０－ｐＦ並列コンデンサを組み込んだ状態のサンプル（ａ）＃Ａおよび（ｂ）＃Ｂの写真を図示し、＃Ａおよび＃Ｂは、それぞれ、コンデンサバンクコード、「１００１００」および「００１０１０」に適合している。
図２１は、本発明の実施形態によるＩＲ－ＵＷＢ信号「１００１１００」の過渡波形を図示している。
図２２は、本発明の実施形態による、サンプル＃Ａおよび＃Ｂに関する異なるＴｘ－Ｒｘ距離におけるエンドツーエンド効率と、ＳＡＲＴを伴わない場合の推測される結果とを図示している。
図２３は、１８６．２μＷのＴｘ電力を前提とした２ｃｍ電力伝達リンクにおける電力の内訳を図示している。
図２４は、本発明の実施形態による、電力レシーバを被覆する一切れの豚ロース肉を用いた、豚ロース肉がデバイスを被覆する（ａ）前、および（ｂ）後におけるインビトロ実験を図示しており、ＩＲ－ＵＷＢ信号の対応する過渡波形が、それぞれ、（ｃ、ｅ）および（ｄ、ｆ）に示され、ＩＲ－ＵＷＢデータは、豚ロース肉の有無にかかわらず、同一に維持する。
図２５は、本発明の実施形態による、適合中に測定された共振補償論理波形を図示している。
図２６は、本発明の実施形態による、エネルギー採集フロントエンドにおいてデジタル制御されたコンデンサを組み込んだ電力レシーバを図示し、（ａ）は、提案されるＩＣと、Ｒｘコイルと、デジタル制御されたコンデンサＮＣＤ２１００とを格納しているプリント回路基板の写真であり、（ｂ）は、マイクロコントローラがコンデンサをプログラミングし、データをＩＣから読み出すために使用される全体設定である。
図２７は、本発明の実施形態による、過渡共振コンデンサオフセットに応答する出力電圧波形を図示している。
図２８は、本発明の実施形態による、ＮＣＤ２１００の容量に適合されているＩＣの補償コンデンサを図示し、差し込み図は、そのデータシートに従った、制御コードの関数としてのＮＣＤ２１００の容量を示す。
図２９は、本発明の実施形態による、ＮＣＤ２１００の各制御コードにおいて生成された出力電圧を図示している。
図３０は、本発明の実施形態による、電力受取フロントエンドにおける共振補償技法の比較を図示している。
図３１は、本発明の実施形態による、低電力ＩＭＤに対する従来技術の誘導性電力レシーバの比較を図示している。
（図面の詳細な説明）
ここで図面に目を向けると、本発明の実施形態による多数のワイヤレス給電デバイスの中でもとりわけ、例えば、埋込可能医療用デバイス（ＩＭＤ）、石油およびガスセンサ、インフラストラクチャセンサを含むエネルギー採集デバイスを駆動するための誘導性電力レシーバシステムオンチップのためのシステムおよび方法が、図示されている。特に、低電力消費および最小限の侵襲性を伴う埋込可能医療用デバイス（ＩＭＤ）が、説明される。特に、多くの実施形態は、そのようなＩＭＤを駆動するための誘導性電力レシーバシステムオンチップを提供する。多くの実施形態では、電力レシーバは、１３．５６ＭＨｚの誘導性電力レシーバシステムオンチップである。多くの実施形態では、電力レシーバは、１０－μＡ＠３－Ｖの負荷を駆動しながら、約－２５ｄＢｍ（３．４１μＷ）の入力感度および４５．７％の効率を達成することができる。ある実施形態では、電力レシーバは、バックテレメトリのための超広帯域インパルス無線（ＩＲ－ＵＷＢ）トランスミッタを含むことができる。リアルタイムの採集電圧の読取値を運ぶ超広帯域インパルス無線（ＩＲ－ＵＷＢ）バックテレメトリを介して、トランスミッタから、１．７Ｖ～３．３Ｖの調整された出力電圧が、達成されることができる。さらに、共振電力伝達が伝送効率を向上させるため、ＩＭＤ電力レシーバは、概して、異なる誘電体環境および装荷条件に起因する共振変動に苛まれ得る。故に、多くの実施形態は、これに対処するために、リアルタイム共振適合スキームを提供する。さらに、共振変動における変化は、周辺環境（例えば、空気、石油、ガス）を感知すること、および／または、周辺環境内の変化（例えば、多数の用途の中でもとりわけ、患者の出血、石油／ガスパイプライン内で生じている変化）を検出することを行うために使用されることができる。
特に、多くの実施形態は、スイッチドコンデンサユニットを含むコンデンサバンクを含み、コンデンサバンクのために使用される特定の設定は、電力伝達を最大限にするように、閉ループフィードバックプロセスを使用して適合および／または最適化されることができる。多くの実施形態では、フィードバックプロセスは、適切な共振を維持するように、コンデンサバンクに対する最適な設定をリアルタイムに適合させ、それによって、Ｖｄｄ，Ｈａｒｖは、良好な共振を維持することと、不整合を解決することと、より高い電力をセンサまたは他のエネルギー採集デバイスに送達することとを行うように最大限に保たれる。
多くの実施形態では、コンデンサバンクをチューニングするための論理は、定期的に有効にされる逐次比較型共振チューニング（ＳＡＲＴ）論理である。多くの実施形態では、コンデンサバンクは、同じスイッチドコンデンサユニットを伴う６ビットのコンデンサバンクである。
多くの実施形態では、コンデンサバンクの変化された設定に関連する情報は、周辺環境を感知すること、および／または環境内の変化を検出することを行うために使用されることができる。特に、多くの実施形態では、コンデンサバンクの値および／または電圧の読取値は、デジタル化され、外部コントローラに伝送されることができ、この情報は、センサチップ周辺の環境の種々の性質、特に受取アンテナの誘導コイル周辺の環境の特性を決定するために使用されることができる。多くの実施形態では、システムは、整流された電圧を測定し、トランスミッタを使用して読取値を折り返し報告することができ、これは、種々の感知用途に対して有用であり得る。
このように、チップは、様々な異なる用途のためのセンサデバイスとして使用されることができる。多くの実施形態では、センサデバイスは、周辺環境の誘電率を検出することができ、これは、異なる用途（例えば、中でもとりわけ、石油／ガス／水道のインフラストラクチャ用途、埋込可能医療用デバイス、３Ｄ撮像用途）の広域スペクトルに関して有用であり得る。例えば、センサチップは、患者の手術部位の近傍で埋め込まれ、術後の患者における血液アクティビティを測定すること、または出血を検出することを行うために使用されることができる。
特に、環境内の異なる物質は、異なる誘電率（例えば、空気は、１、水道は、９０．２、ベンゼンは、２．３）を有し、誘導コイルの寄生容量を含むチップ周辺の特定の環境に基づいて、容量性バンクの設定は、閉ループプロセスを使用して、応じて修正されることができ、これらの設定は、周辺環境の性質（例えば、チップが水道、空気、ガス、石油等によって取り囲まれているかどうか、術後の患者の出血、静脈内出血、心臓近傍等の環境内の変化）を感知するために使用されることができる。
さらに、システムは、近接場および遠方場の両方において周辺環境内の変化を感知することが可能なセンサチップとして使用されることができる。近接場および遠方場は、伝送アンテナ等の物体の周囲の電磁場（ＥＭ）の領域であり、または放射線が物体から離れるように散乱した結果である。無放射「近接場」挙動は、アンテナまたは散乱している物体の近くで優位になる一方、電磁放射の「遠方場」挙動は、より大きな距離において優位になる。
特に、多くの実施形態では、センサは、イベントが生じている場所（近接場対遠方場）を含む周辺環境の種々の性質を検出することができる。特に、近接場の変化は、誘導コイルのインピーダンスを変化したときに感知されることができ、したがって、容量性バンクの設定、および採集される電圧の両方に影響を及ぼし得る。同様に、遠方場の変化は、誘導コイルのインピーダンスに影響を及ぼさないかもしれないように感知されることができ、したがって、容量性バンクの設定を変化することはないが、しかしながら、遠方場のイベントは、採集される電圧を変化し得（例えば、増加させる、または減少させる）、したがって、ロッシーチャネルの品質が、監視されることができる。故に、経時的にこれらの設定を監視することによって、システムは、環境内の変化が生じているかどうか、およびどこで生じているかを決定することが可能である。
例えば、多数のセンサチップが、ある場所のいたるところに設置されることができ、情報が、周辺環境の性質を検出するために、異なるセンサチップを横断して収集されることができる。例えば、人がトランスミッタとレシーバコイルとの間を移動すると、これは信号強度を低減させ得、したがって、電圧が測定されるため、ある場所内での人の移動が、測定される電圧における変化に基づいて感知されることができる。この情報は、特定の場所内での３Ｄの場所および／または移動および／または物体を開拓および監視するために、特定の場所における種々の位置に置かれた異なるセンサの集合から集められることができる。
故に、多くの実施形態によるシステムは、エネルギー採集デバイスおよび／または周辺環境を感知および／または監視するために使用され得るセンサチップへの電力伝達を最適化するための電力採集システムとしての用途を含む、様々な異なる用途において使用されることができる。
多くの実施形態では、システムは、誘導コイルの共振変動に基づいた電力伝達を最適化するために、コンデンサバンクを適合し得る。特に、回路は、最小限の電力散逸コストにおけるいくつかのクロックサイクル（例えば、１２クロックサイクル）内の最適な共振コンデンサに収束し得る。多くの実施形態では、システムは、１８０ｎｍ ＣＭＯＳプロセスにおいて加工されることができ、システムは、９００ｎＡの全体的電流散逸を特徴とする。多くの実施形態では、システムは、精密な補償精度を伴う共振コンデンサオフセットに影響され得ない。例えば、２ｃｍの距離において、エンドツーエンド効率は、３０μＷの負荷を駆動しながらも、人工的に誘発された１０－ｐＦオフセット関係なく、１４．８％に等しくあり得る。そのような共振適合性は、具体的な負荷に応じて、現実的なＩＭＤに関して、電力リンク効率を桁違いに向上させる。
述べられているように、ワイヤレス電力伝達は、医療用インプラントに関して幅広く使用されてきた。埋込可能医療用デバイス（ＩＭＤ）のためのリアルタイムの調整された電力伝達における従来技術実装は、主に、ＩＭＤの電力消費がｍＷ～Ｗの範囲内であるシナリオに対処してきた。それと同時に、より少ない電力消費および関連付けられた侵襲性を伴うＩＭＤは、最近のパラダイムの１つとなっている。ＩＭＤの電力消費が数十μＷまたはそれ未満まで低減させられ得るため、電力リンクは、適度なＴｘ電力を用いて大幅に延長され得、したがって、多くの治療的用途のために広く使用されることができる。これらのＩＭＤは、従前の集中型対応物の代わりに、分散型感知および作動システムを形成することもできる。心臓内に直接埋め込まれるワイヤレス給電マイクロデバイスに基づいた心臓感知およびペーシングネットワークは、そのようなシステムの例である。特に、継続的な移動は、エネルギー採集フロントエンドの頻繁かつ定期的な適合を要求し得る。
数μＷ～数百μＷの電力定格におけるワイヤレス電力伝達システムの洗練された設計は、従来技術において、非情にも議論されてこなかった。これらのシステムは、感度を優先し、より重い負荷に関してより高くなる傾向がある電力伝達効率をあまり重視しないはずである。したがって、整流トポロジーの観点から、電力大量消費ハイスピード比較器から成るアクティブ整流器は、最適に設計されたパッシブ整流器と置換され得る。
上記に述べられているように、エネルギー採集ＩＭＤに関する課題は、共振変動に対する脆弱性であり、これは、例えば、多くの理由の中でもとりわけ、加工不整合、異なる埋込部位、移動、瘢痕組織の蓄積、および変動する装荷条件から誘発され得る。特に、作動デバイスは、刺激強度およびオン／オフ状況に応じて、整流器の異なる等価入力容量を生じさせ得る。あるアプローチは、より広い帯域幅に関するトレードオフにおいて、品質係数を意図的に低下させるためのものであったが、これは、当然ながら、最適な効率を犠牲にする。故に、システムの多くの実施形態は、共振変動を補償するためにコンデンサバンクが適合的にチューニングされるアクティブな補償方法を提供する。故に、多くの実施形態は、早急に最適な解決策に収束することと、そうでなければシステムの感度を妨害する電力消費オーバヘッドを無視できるほどにすることとを行い得るそのような回路の実装を提供する。
別の課題は、出力電圧調整であり得る。採集された電力を調整するために使用されてきた手法は、対応する２ステップ損失を伴うカスケードされた２ステップアプローチ、例えば、ＲＦ－ＤＣ整流およびＤＣ調整であり得る。２段を組み合わせるために、共振調整整流方法が、採択されており、その方法では、整流器の動作は、出力電圧を安定させるためにデューティサイクリングされる。しかしながら、アクティブ整流器内のハイスピード比較器は、低電力ＩＭＤに関する課題を生じさせる。方法は、過剰な出力電圧の変動にも関連付けられている。
故に、多くの実施形態は、数μＷ～数百μＷの電力範囲で、ＩＭＤのための誘導電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ誘導電力）レシーバシステムオンチップを提供する。誘導性電力レシーバの多くの実施形態は、数μＷ（例えば、２．８８μＷ）の入力電力感度を達成し、ある範囲内で出力電圧を調整することが可能である（例えば、４０ｄＢを上回る調整を伴う、１．７Ｖ～３．３Ｖ）。多くの実施形態では、デジタル化された出力電圧を伝送するために、超広帯域インパルス無線（ＩＲ－ＵＷＢ）バックテレメトリが、採用され得る。電力レシーバの多くの実施形態は、逐次比較型共振チューニング（ＳＡＲＴ）技法を使用することによって、電力受取ＩＭＤに関する問題であった共振変動に対処することが可能であり、ＳＡＲＴ技法は、補償ダイナミックレンジ（例えば、６ビットの補償ダイナミックレンジ）を供与し、電力消費オーバヘッドを無視できるほどにし得る。例えば、２ｃｍのリンク距離において３０μＷの負荷を標的として、本発明のある実施形態によるシステムは、人工的に誘発された１０－ｐＦ共振コンデンサオフセットに関係なく、１６．１％のエンドツーエンド効率を達成することが可能である。多くの実施形態による共振適合技法は、現実的なＩＭＤに関して、電力伝達効率を桁違いに向上させる。
電力レシーバのアーキテクチャ全体、ＳＡＲＴを含む適合共振プロセスの実装、整流器の最適化、磁気リンク、トランスミッタからの電圧調整のためのＡＤＣおよびＩＲ－ＵＷＢバックテレメトリの実装、ならびに本発明の多くの実施形態による測定結果および比較が、詳細に説明される。
（システム概観）
本発明の実施形態による誘導性電力レシーバのブロック図全体が、図１に図示されている。図１に図示されている回路は、種々の回路網の中でもとりわけ、誘導コイルと、コンデンサバンクと、整流器と、トランスミッタと、誘導コイルの共振周波数における変化に基づいてコンデンサバンクの設定を最適化するための閉フィードバックループとを含むことができる。多くの実施形態では、ＩＣ回路は、ＳＡＲＴを伴うＲＦ－ＤＣ整流器と、採集された電圧ＶＤＤ，ＨＡＲＶをデジタル化するためのＳＡＲ ＡＤＣ（例えば、７ビットのＳＡＲ ＡＤＣ）と、バックテレメトリとしてのＩＲ－ＵＷＢトランスミッタとを含むことができる。多くの実施形態では、それらの動作は、本発明の実施形態による図２のスケジュールマップに示されているように、電力消費を低減させるために重デューティサイクリングされ得る。多くの実施形態によるクロック信号は、緩和発振器（例えば、約５ｋＨｚで動く緩和発振器）によって生成されることができる。各ＳＡＲＴ実行は、システムサイクルのあるパーセンテージ（例えば、システムサイクルの０．５％）未満で継続し得、したがって、電力受取効率を妨害しない場合がある。ＳＡＲＴと、電圧のデジタル化と、バックテレメトリ動作とを含むシステムサイクルは、絶えず変化する誘電体環境および装荷条件に対処するために、特定のＨｚ（例えば、約２Ｈｚ）で実行されることができる。
多くの実施形態では、３．３Ｖプロセスにおいて実装される粗バンドギャップリファレンス（ＢＧＲ－粗）およびローカル低ドロップアウトレギュレータ（ＬＤＯ）は、約１．６Ｖにおいて内部回路網のための電圧源を生成し得る。別の細バンドギャップリファレンス（ＢＧＲ－細）は、６０ｄＢを上回る電力供給除去比（ＰＳＲＲ）を伴う安定な電圧リファレンスを作成することができる。多くの実施形態では、ＡＤＣは、出力電圧の４２ｄＢ調整を提供するように、７つの有効ビットを伴って設計され得る。ＩＲ－ＵＷＢトランスミッタは、その低電力消費と、他の生体電気感知機能との潜在的共有とに起因して、バックテレメトリとして実装されることができる。多くの実施形態では、例えば、１１ビットを形成するｎビットヘッダ（例えば、４ビットヘッダ）およびｎビットＡＤＣ（例えば、７ビットＡＤＣ出力）が、トランスミッタに直列にストリーミングされ得る。図１は誘導性電力レシーバのための特定の回路アーキテクチャを図示しているが、誘導性電力レシーバおよび／またはセンサのための様々な回路アーキテクチャの任意のものが、本発明の実施形態による具体的な用途の要件に適合するものとして利用され得る。
（逐次比較型共振チューニングを伴う電力受取フロントエンド）
並列コンデンサＣＰは、典型的には、受取コイルの共振周波数をチューニングするために必要とされ、電圧スイングを増大させ、電力伝送効率を向上させ得る。研究は、共振コンデンサをチューニングすることによる、任意の共振変動のアクティブな補償に焦点を当ててきた。ある従来技術設計は、３ビットダイナミックレンジを実現するために、ＰＭＯＳバラクタに基づく温度計コード化コンデンサを採用する場合があり、整流器入力においてバイナリ加重コンデンサバンクを実装する場合がある。オンチップ最適化論理は、動作の各ステップのみが隣接コードに適合しているヒルクライミングアルゴリズムとして実装されてきた。したがって、収束時間は、ダイナミックレンジを伴って指数関数的に増える。ある従来技術実装は、論理複雑性および関連付けられた電力消費に関する懸念を伴う勾配降下アルゴリズムを提案している。また、本仕事は、安定化の前に過剰な時間を要求する整流された出力電圧を監視する。大部分のＩＭＤに関して、誘電体環境および装荷条件は経時的に変化し得るため、共振補償は単に１回限りの較正として必要されないことに留意されたい。
これらの課題に対処するために、多くの実施形態では、誘導性電力レシーバは、正確かつ適時に任意の共振コンデンサオフセットを補償することができるアルゴリズム（例えば、ＳＡＲＴ論理回路網）を提供する。絶えず変化する共振変動に対処するために、ＳＡＲＴが定期的に実行され得ながら、整流器が、誘導電力を継続的に回収し得る。多くの実施形態によるこれらの技法は、様々なエネルギー採集ＩＭＤに適用されることができる。
（アーキテクチャおよび補償論理）
本発明の実施形態によるＳＡＲＴを伴う電力受取フロントエンドの回路概略図が、図３に図示されている。多くの実施形態では、コンデンサバンクは、整流器を伴って実装されることができる。ある実施形態では、６ビットバイナリ加重コンデンサバンクは、Ｄｉｃｋｓｏｎ段パッシブ整流器と並列に実装され得る。各コンデンサバンク選択は、ＲＦ信号の振幅における変動につながり得る。多くの実施形態では、２つの連続コンデンサバンク選択に対応するスイングは、それぞれ、２つのホールドコンデンサ上で検出およびサンプリングされることができる。それら２つの比較は、ＳＡＲＴ論理への入力として、ゼロ静的電力ＳｔｒｏｎｇＡＲＭラッチ比較器によって行われることができる。図３は、ＳＡＲＴを伴う電力受取フロントエンドの特定の回路概略図を図示しているが、様々な回路設計の任意のものが、本発明の実施形態による具体的な用途の要件に適合するものとして規定され得る。
多くの実施形態では、コイルのインピーダンスは、共振コンデンサのオフセットに対してほぼ対称であり得る。そして、より高いインピーダンスは、より大きな電圧スイングにつながり得る。したがって、電力レシーバの多くの実施形態は、最大限の電圧スイングを達成するようにコンデンサバンクに適合している共振補償アルゴリズムを提供する。本発明の実施形態によるＳＡＲＴプロセスは、４ビットシナリオにおいて、図４に図示されている。プロセスは、全面的ダイナミックレンジの１／４および３／４、例えば、「０１００」および「１１００」を比較することから始まり、その結果は、ＭＳＢとして更新され得る。次いで、プロセスは、その範囲の残りの１／４および３／４、例えば、「ＭＳＢ，０１０」および「ＭＳＢ，１１０」を比較し、その結果は、第２の有効ビット等として更新され得る。
Ｎビットのダイナミックレンジに関して、プロセスは、最適な選択コードを達成するために、Ｎ回のそのような比較、または２Ｎ回のクロックサイクルを要求し得る。ＳＡＲＴの収束時間がダイナミックレンジに比例し得る一方、従来技術は、指数関数的関係を呈する。本発明の実施形態による６ビットコンデンサバンクを適合させるための完全な論理フロー図が、図５に図示されている。図５は、６ビットＳＡＲＴのための特定のプロセスを図示しているが、様々なプロセスの任意のものが、本発明の実施形態による具体的な用途の要件に適合するものとして利用され得る。
（整流器）
多くの実施形態では、パッシブ整流器は、整流効率を増大させるために、Ｎ個の段（Ｎ＝５）を含み、ネイティブトランジスタを採用することができる。数μＡのオーダーの負荷電流ＩＬＯＡＤが、設計標的であり得、これは、典型的なＩＭＤの散逸を表す。ある実施形態では、各トランジスタの幅が５μｍにサイズ指定され得ながら、ゲート長は、最小値の０．５μｍに保たれる。本発明の実施形態による、ＩＬＯＡＤに対するシミュレートされた整流効率が、図６に示されている。それは、０．６μＡ～１０μＡのＩＬＯＡＤに対して５０％を超過し得る。他の負荷定格に対する最適なゲートサイズ指定が、トランジスタの幅を比例的に拡大または縮小することによって達成され得ながら、高電力型では、アクティブ整流器は、結果として、より良好な効率をもたらし得る。本発明の実施形態による出力電圧ＶＯＵＴに対する整流効率が、図７に図示され、標的とされる負荷に対する安定な性能を実証している。
（スイッチドコンデンサバンク）
共振補償フロントエンドに関するバイナリ加重値におけるスイッチドコンデンサは、加工不整合に起因する非線形性問題に容易に苛まれ得る。故に、電力レシーバの多くの実施形態は、金属－絶縁体－金属コンデンサおよびＮＭＯＳスイッチを伴う同じユニットセルとして、コンデンサバンクを実装する。多くの実施形態では、コンデンサバンクは、本発明の実施形態による図８のアイテム（ａ）に図示されているような４００－ｆＦ 金属－絶縁体－金属コンデンサおよびＷ／Ｌ＝２４μｍ／０．１８μｍを伴うＮＭＯＳスイッチを各々が有する６３個の同じユニットセルとして実装されることができ、これは、回路シミュレーションに従って、約１，０００の十分な高品質係数または１／１，０００の散逸係数に寄与することができる（それは、単に、スイッチドコンデンサユニットの品質係数また散逸係数であり、Ｒｘタンクではないことに留意されたい）。スイッチの寄生容量に起因して、ユニットセルは、オフ状態において約２０ｆＦの等価容量を呈し得る。したがって、チューニング分解能は、３８０ｆＦであり得、全体範囲は、２４ｐＦに等しい。コンデンサバンクのレイアウトは、図８（ｂ）に図示され、これは、本発明の実施形態による６ビットスイッチドコンデンサバンクアレイのレイアウトを図示している。図８は、各スイッチドコンデンサユニットの特定の回路概略図および６ビットスイッチドコンデンサバンクアレイのレイアウトを図示しているが、様々な回路設計の任意のものが、本発明の実施形態による具体的な用途の要件に適合するものとして規定され得る。
（磁気カップリングリンク）
本発明の実施形態によるＴｘおよびＲｘコイルの設計が、図９に図示され、図９の表Ｉは、ある重要なパラメータを実証している。Ｒｘコイルは、小型ＩＭＤにフィットさせるために、（例えば、１２ｍｍの）小さな直径を伴って設計されることができる。ＴｘおよびＲｘコイルのインダクタンスは、それぞれ、５．７６μＨおよび６．３６μＨとなるようにシミュレートされ得る。２１．７－ｐＦ並列コンデンサＣＰは、Ｒｘコイルを１３．５６ＭＨｚで共振させることを要求され得、Ｔｘコイルは、５０Ω電力源と整合させるために、付加的なＬマッチング区分を採用し得る。
ＣＰ、ＣΔＰのオフセットは、電圧スイングに影響を及ぼし得、したがって、電力伝達効率に影響を及ぼし得る。最大１０ｐＦのＣΔＰが、検討され、これは、Ｒｘコイルが異なる誘電体媒体内、例えば、空気中とは大きく異なる水中に設置されている現実的な状況を模倣する。本発明の実施形態による異なるＣΔＰに関する電力伝達効率は、図１０に示されているように正規化され得る。予期されるように、より高い品質係数を伴うシステムは、オフセットに対してより脆弱であり得る。図９は、ある重要なパラメータを伴うＴｘおよびＲｘコイルの特定の設計を図示しているが、様々なＴｘおよびＲｘ設計の任意のものが、本発明の実施形態による具体的な用途の要件に適合するものとして規定され得る。
（電圧調整およびＵＷＢテレメトリ）
従前のワイヤレス電力レシーバは、典型的には、整流された電圧を調整するために、別個のＬＤＯを採用する。２ステップ変換は、付加的な非効率を招く。また、採集された電圧のリップルを低減させ、調整フィードバックを安定化させるために、２つの大規模なデカップリングコンデンサが、典型的には、それぞれ、調整の前後に要求される。共振調整整流スキームは、比較器の適時選択誘発の損失に関連付けられている。その課題に対処するために、電力大量消費ハイスピード比較器が、使用され得、または、システムの複雑性が、遅延補償スキームの採択を伴って有意に増加させられ得る。
故に、電力レシーバの多くの実施形態は、オンチップ電圧のデジタル化およびバックテレメトリを介して、トランスミッタから採集される電圧を調整する。多くの実施形態では、７ビットＡＤＣは、約４２ｄＢの調整率を提供する。同様に、無視できるほどの電力消費を伴うＩＲ－ＵＷＢトランスミッタは、他の感知機能との潜在的共有のために実装されることができる。
（ＳＡＲ ＡＤＣ）
多くの実施形態では、ボトムプレートサンプリングＳＡＲ ＡＤＣが、実装されることができる。図１１は、本発明の実施形態による７ビットのダイナミックレンジを伴うボトムプレートサンプリングＳＡＲ ＡＤＣを図示している。多くの実施形態では、全てのサンプルおよびホールドバッファは、電力消費を最小限にするために、図３に示されているように、動作継続時間に対してのみ電力ゲート型であり得る。７ビットのＡＤＣ出力は、バックテレメトリ伝送のための「０１０１」ヘッダを用いて直列化およびパケット化されることができる。図１１は、ボトムプレーティングサンプリングＳＡＲ ＡＤＣの特定の回路概略図を図示しているが、様々な回路概略図の任意のものが、本発明の実施形態による具体的な用途の要件に適合するものとして規定され得る。
（ＵＷＢトランスミッタ）
ＩＲ－ＵＷＢは、低電力消費および小型アンテナ形成因子に起因して、ＩＭＤにおいて幅広く使用されてきた。故に、電力レシーバの多くの実施形態は、ＦＣＣ規格ＵＷＢインパルスを生成するためのフィルタリングエッジコンバイン技法を採用する。本発明の実施形態による図１２の概略図に示されているように、モノパルスが、まず、遅延セルから生成され、続いて、オンチップパッシブフィルタを通過させられ得る。
Ｍ１は、クラスＣにおいて動作し得、上側カスコードトランジスタＭ２は、電圧のオーバシュートを回避するために実装され得る。多くの実施形態では、フィルタ構成要素Ｃ１、Ｃ２、Ｌ１、およびＬ２の値は、それぞれ、９８１ｆＦ、４４４ｆＦ、６１４ｐＨ、および１．６９ｎＨに等しい。図１３に示されているように、Ｍ２の推定されるドレイン容量は、２２１ｆＦに等しく、フィルタリング特性を決定するために、Ｃ１に吸収され得る。本発明の実施形態による、５０Ωの負荷上で放出される各インパルスの過渡波形および対応する周波数スペクトルが、それぞれ、図１４（ａ）および（ｂ）に示されている。特に、図１４（ａ）は、ＵＷＢインパルスの過渡波形を図示し、図１４（ｂ）は、周波数スペクトルを図示している。多くの実施形態では、システムは、毎秒約２０個のインパルスを伝送することのみを要求し得、これは、ＦＣＣ放出マスクに容易に準拠する。
多くの実施形態では、トランスミッタは正のエッジによってトリガされるため、入力シンボルは、まず、ゼロ復帰フォーマットに変換され得る。
各論理「１」および論理「０」は、それぞれ、「１０」および「００」に変換され得る。故に、トランスミッタのシンボルレートは、クロック周波数の半分であり得る。各インパルスは、約６５．６ｐＪ（ＤＣエネルギー）を消費するようにシミュレートされ得、放出されたエネルギーは、約２．７ｐＪである。毎秒２０回の放出は、１．３ｎＷの電力散逸に相当する。
（測定値）
多くの実施形態によるＩＣは、図１５に図示されているように、顕微鏡写真を用いて１８０ｎｍ ＣＭＯＳプロセスにおいて加工されることができる。ＩＣの全体寸法は、約１．７ｍｍ２であり得る。その電流散逸は、７５０ｎＡであると測定される。多くの実施形態では、ＩＣは、１．７Ｖの最小ＶＤＤ，ＨＡＲＶで動作させることができ、これは、システムの感度を決定する２．８８μＷまたは約－２５．４ｄＢｍの入力電力を要求し得る。本発明の実施形態による電力の内訳グラフが、図１６に図示されている。
図９に示されているようなＴｘおよびＲｘコイルは、ＦＲ４積層上で加工されることができる。Ｔｘコイルは、１３．５６ＭＨｚで５０Ω信号源に整合され得る。電力レシーバは、ＩＲ－ＵＷＢバックテレメトリのために、１２ｍｍ長の簡易モノポールアンテナを組み込むことができる。本発明の実施形態による図１７に示されているように、バンド通過フィルタおよび低雑音増幅器を用いてカスケードされたホーンアンテナは、３０ｃｍ離れて、バックテレメトリレシーバとして位置付けられ得る。
本発明の実施形態による図１８に示されているように、ＡＤＣ出力対採集された電圧は、顕著な線形性を伴ってワイヤレス測定されることができる。その結果は、ＢＧＲおよびローカルＬＤＯ等の補助的なブロックの適切な設計も実証する。本発明の実施形態による積分非直線性（ＩＮＬ）、例えば、測定コードと理想値（赤線）との間の相違は、図１９にプロットされ、これは、半ＬＳＢを滅多に超過しない。
本発明の実施形態による図２０に示されているように、２つの電力レシーバ＃Ａおよび＃Ｂは、＃Ｂが付加的な１０－ｐＦ並列コンデンサを組み込んだ状態で組み立てられ得る。それらは、典型的な数十μＷ ＩＭＤを表明する３００ｋΩ抵抗器を駆動するために使用され得る。ワイヤレス電力オンセット時、サンプル＃Ａは自動的にＳＷ５～ＳＷ０を「１００１００」に適合させる一方、＃Ｂは、「００１０１０」に適合させる。各スイッチドコンデンサユニットが３８０ｆＦに寄与するため、コードの差異は、２６であり、これは、９．９ｐＦに相当する。この結果は、付加的なコンデンサの公称値である１０ｐＦに非常に近い。
Ｔｘ－Ｒｘ距離の関数としての電力伝達効率が、調べられる。この測定は、２ｃｍ、３ｃｍ、５ｃｍ、および８ｃｍの距離において実施される。本発明の実施形態による図２１に示されているように、Ｔｘ電力は、ワイヤレス読取値が、３Ｖの出力電圧を示す「１００１１００」を示すまで調節される。（図２２に示されているように、）エンドツーエンド効率は、負荷電力３０μＷとＴｘ電力との間の比として計算されることができる。２ｃｍにおいて、全体的リンク効率は、１６．１％の高さに到達する。サンプル＃Ａおよび＃Ｂに関する効率は、１０％未満の相違と非常に近い。
本発明の実施形態による整流および負荷効率は、それぞれ、４９．９％および９３．０２％（１０／１０．７５）と等しいため、理論的な電力伝達限界としての誘導カップリング効率が、推測され、図２２にプロットされ得る。本発明の実施形態による１８６．２μＷのＴｘ電力を前提とした２ｃｍシナリオの電力の内訳が、図２３に示されている。
整流器の入力インピーダンスは、３．２７ｋΩの並列抵抗器を組み込むようにシミュレートされ得る。したがって、Ｒｘコイルのインダクタンスを考慮すると、フロントエンドタンクの品質係数は、６にほぼ等しい。共振補償を伴わない場合、１０ｐＦのコンデンサオフセットは、本発明の実施形態による図１０のシミュレーションに従うと、リンク効率を８９％悪化させる。本発明の実施形態による、ＳＡＲＴを伴わない場合の推測される結果も、図２２にプロットされる。
本発明の実施形態による図２４に示されているように、誘導カップリングおよびＩＲ－ＵＷＢデータリンクの動作を実証するために、一切れの１．５ｃｍ厚の豚ロース肉が、電力レシーバを全体的に被覆するために使用される。特に、ＩＲ－ＵＷＢ信号が、組織損失に起因して、弱化されたスイングを示す（図２４（ｃ～ｆ））一方、電力伝達リンク効率は、全く変化せず、これは、不変である採集された電圧によって表明される。それは、磁気カップリングの性質と整合する。その特徴は、生体内実験においても検証され、誘導ベースの電力伝達が、豚モデルの胸部を通して実証された。
本発明の実施形態によるＳＷ５～ＳＷ０適合の例示的波形が、図２５に実証される。ＳＡＲＴが実行されると、収束は、１２クロックサイクルまたは２．４ｍｓのみかかる。本発明の実施形態による、過渡共振コンデンサオフセットへの電力レシーバの応答は、図２６に図示されているような、フロントエンドにおいて並列に接続されている、市販のデジタル制御コンデンサであるＩＸＹＳ ＮＣＤ２１００の支援を伴って測定される。電力レシーバの出力ノードは、３００ｋΩの負荷抵抗器および４７μＦのデカップリングコンデンサを接続している。本発明の実施形態によるコンデンサオフセットは、８ｓ毎に１１ｐＦと２８ｐＦとの間で変化され、その出力波形が、図２７に示されている。電圧ドループが切替毎に生じる一方、出力電圧は、近接値を再びとる。回復時間は、デカップリング容量に左右される。
ＮＣＤ２１００の容量は、その全範囲でスイープされる。６．６ｐＦ～３７．５５３ｐＦは、粗および細ビットを含む１０制御ビットで網羅される。そのデータシートに従って、制御コードの関数としての容量が、本発明の実施形態による図２８の差し込み図に実証される。その依存関係は、完全に線形というわけではない。本発明の実施形態による図２８に示されているように、測定値は、ＩＣがその全ダイナミックレンジ内でオフセットを正確に補償することを示す。本発明の実施形態による図２９に示されているように、出力電圧は、６．６ｐＦ～約２９ｐＦの共振コンデンサオフセットに対して比較的安定した状態のままであり、これは、最大約２６．５ＭＨｚのＲｘタンクの自己共振周波数に対応する。システムの動作は離散補償容量値に基づくため、小規模な変動が、存在する。コンデンサオフセットは、補償範囲外にあるときのみ、出力電圧の劇的な降下を呈する。
図３０の表ＩＩおよび図３１に要約されているように、システムの多くの実施形態による共振補償技法が、従来技術と比較されている。本発明の多くの実施形態によるＳＡＲＴ技法は、時間およびエネルギー効率が良く、したがって、１回限りの較正に対処するだけではなく、絶えず変化する誘電体環境および装荷条件に対するリアルタイム適合性も供与する。低電力ＩＭＤのための従来技術の誘導性電力レシーバが、表ＩＩＩにおいてさらに比較されている。したがって、多くの実施形態は、超低電力ＩＭＤをそれに電力を供給するために特に好適なものにする低入力電力感度を特徴とする。３０μＷの負荷を駆動したとき、約１６％のエンドツーエンド効率が、１０－ｐＦコンデンサオフセットに関係なく達成される。高電力伝達効率は、より軽い負荷に関して次第により困難になるため、対応する負荷に対して正規化された効率が、検討される。
リアルタイム共振適合およびワイヤレス電圧調整を伴う誘導性電力レシーバおよびセンサのための具体的な実装が、図１～３１に関して上記に議論されるが、上記に議論される技法を利用する様々な実装は、いずれも、本発明の実施形態による電力レシーバおよび／またはセンサのために利用されることができる。上記の説明は、本発明の多くの具体的な実施形態を含むが、これらは、本発明の範囲の限定としてではなく、むしろ、その一実施形態のある実施例として解釈されたい。したがって、本発明は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、具体的に説明されるもの以外を実践してもよいことを理解されたい。したがって、本発明の実施形態は、全ての事項において、限定的ではなく、例証的なものとして検討されるべきである。

Claims (20)

  1. 電力レシーバシステムであって、
    外部トランスミッタからワイヤレス電力を受け取る誘導コイルと、
    エネルギー採集デバイスへの電力伝達を最適化するコンデンサバンクと、
    前記誘導コイル上の変化に適合するように前記コンデンサバンクの設定をリアルタイムに適合させ、電力伝達効率を最大限にする、定期的に有効にされる閉フィードバックループを伴う電力受取フロントエンドＲＦ－ＤＣ整流器と
    を備える電力レシーバシステム。
  2. 前記コンデンサバンクは、Ｄｉｃｋｓｏｎ段パッシブ整流器と並列に実装されているバイナリ加重コンデンサバンクを備える、請求項１に記載の電力レシーバシステム。
  3. 前記閉フィードバックループは、異なる誘電体環境、装荷条件、および加工不整合のうちの少なくとも１つに起因する共振変動を軽減する、請求項１に記載の電力レシーバシステム。
  4. 前記コンデンサバンクは、逐次比較型共振チューニングプロセスを使用して定期的に調節される６ビットのコンデンサバンクである、請求項１に記載の電力レシーバシステム。
  5. 前記閉フィードバックループは、２つのホールドコンデンサ上で、それぞれ、２つの連続コンデンサバンク選択に対応するスイングを検出し、サンプリングすることを含む、請求項１に記載の電力レシーバシステム。
  6. 前記誘導コイルのインピーダンスは、前記共振コンデンサのオフセットに対してほぼ対称である、請求項５に記載の電力レシーバシステム。
  7. 外部コントローラに情報を伝送するトランスミッタをさらに備える、請求項１に記載の電力レシーバシステム。
  8. 前記トランスミッタは、出力電圧調整のためのバックテレメトリとしての超広帯域インパルス無線（ＩＲ－ＵＷＢ）トランスミッタであり、前記ＩＲ－ＵＷＢトランスミッタからの出力電圧は、リアルタイムの採集電圧の読取値を伝送するバックテレメトリに基づいて調整される、請求項７に記載の電力レシーバシステム。
  9. 電力消費を低減させるために、動作が、ヘビーデューティサイクリングされる、請求項１に記載の電力レシーバシステム。
  10. 内部回路網のための電圧供給源を生成する粗バンドギャップリファレンス（ＢＧＲ－粗）およびローカル低ドロップアウトレギュレータ（ＬＤＯ）と、
    安定な電圧リファレンスを生成する細バンドギャップリファレンス（ＢＧＲ－細）と
    をさらに備える、請求項１に記載の電力レシーバシステム。
  11. ワイヤレス給電センサチップであって、
    外部トランスミッタからワイヤレス電力を受け取る誘導コイルと、
    前記センサチップ周辺の異なる外部環境のための異なる設定を規定するコンデンサバンクと、
    前記周辺環境に適合するように、前記コンデンサバンクの設定をリアルタイムに適合させる、定期的に有効にされる閉フィードバックループを伴う電力受取フロントエンドＲＦ－ＤＣ整流器と、
    前記コンデンサ設定および電圧の読取値に関連する情報を外部コントローラに伝送するトランスミッタと
    を備えるワイヤレス給電センサチップ。
  12. 前記コンデンサ設定は、前記周辺環境内の物質のタイプを決定するために使用される、請求項１１に記載のワイヤレス給電センサチップ。
  13. 前記誘導コイルのインピーダンスに対する変化は、結果として、前記コンデンサ設定に対する変化をもたらし、前記周辺環境内の近接場の変化を検出するために使用される、請求項１１に記載のワイヤレス給電センサチップ。
  14. 前記コンデンサ設定に対する変化を伴わない、電圧の読取値に対する変化は、前記周辺環境内の遠方場を検出するために使用される、請求項１１に記載のワイヤレス給電センサチップ。
  15. 前記コンデンサバンクは、Ｄｉｃｋｓｏｎ段パッシブ整流器と並列に実装されているバイナリ加重コンデンサバンクを備える、請求項１１に記載のワイヤレス給電センサチップ。
  16. 前記閉フィードバックループは、異なる誘電体環境、装荷条件、および加工不整合のうちの少なくとも１つに起因する共振変動を軽減する、請求項１１に記載のワイヤレス給電センサチップ。
  17. 前記コンデンサバンクは、逐次比較型共振チューニングプロセスを使用して定期的に調節される６ビットのコンデンサバンクである、請求項１１に記載のワイヤレス給電センサチップ。
  18. 前記閉フィードバックループは、２つのホールドコンデンサ上で、それぞれ、２つの連続コンデンサバンク選択に対応するスイングを検出し、サンプリングすることを含む、請求項１１に記載のワイヤレス給電センサチップ。
  19. 前記誘導コイルのインピーダンスは、前記共振コンデンサのオフセットに対してほぼ対称である、請求項１１に記載のワイヤレス給電センサチップ。
  20. 前記トランスミッタは、出力電圧調整のためのバックテレメトリとしての超広帯域インパルス無線（ＩＲ－ＵＷＢ）トランスミッタであり、前記ＩＲ－ＵＷＢトランスミッタからの出力電圧は、リアルタイムの採集電圧の読取値を伝送するバックテレメトリに基づいて調整される、請求項１１に記載のワイヤレス給電センサチップ。
JP2022563938A 2020-04-22 2021-03-30 電力レシーバのためのリアルタイム共振適合のための装置および方法 Pending JP2023523717A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063013797P 2020-04-22 2020-04-22
US63/013,797 2020-04-22
PCT/US2021/024888 WO2021216256A1 (en) 2020-04-22 2021-03-30 Apparatus and methods for real-time resonance adaption for power receivers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023523717A true JP2023523717A (ja) 2023-06-07

Family

ID=78269880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022563938A Pending JP2023523717A (ja) 2020-04-22 2021-03-30 電力レシーバのためのリアルタイム共振適合のための装置および方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US12009675B2 (ja)
EP (1) EP4138987A1 (ja)
JP (1) JP2023523717A (ja)
WO (1) WO2021216256A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12009675B2 (en) 2020-04-22 2024-06-11 The Regents Of The University Of California Apparatus and methods for real-time resonance adaptation for power receiver

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060281435A1 (en) * 2005-06-08 2006-12-14 Firefly Power Technologies, Inc. Powering devices using RF energy harvesting
US7719416B2 (en) * 2005-09-09 2010-05-18 Microstrain, Inc. Energy harvesting, wireless structural health monitoring system
TWI342125B (en) * 2006-12-29 2011-05-11 Elan Microelectronics Corp Signal converting apparatus with built-in self test
WO2008085503A2 (en) * 2007-01-05 2008-07-17 Powercast Corporation Powering cell phones and similar devices using rf energy harvesting
US8855554B2 (en) * 2008-03-05 2014-10-07 Qualcomm Incorporated Packaging and details of a wireless power device
US9054544B2 (en) * 2010-12-22 2015-06-09 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Power feeding device, power receiving device, and wireless power feed system
US8827889B2 (en) * 2012-05-21 2014-09-09 University Of Washington Through Its Center For Commercialization Method and system for powering implantable devices
KR101631669B1 (ko) * 2014-08-06 2016-06-17 주식회사 맵스 공진 주파수 조정이 가능한 자기공명 무선 전력 전송장치
US9948112B2 (en) * 2014-09-26 2018-04-17 Integrated Device Technology, Inc. Apparatuses and related methods for detecting coil alignment with a wireless power receiver
US10164483B2 (en) * 2015-03-17 2018-12-25 Semiconductor Components Industries, Llc Tunable resonant inductive coil systems for wireless power transfer and near field communications
US10498160B2 (en) * 2015-08-03 2019-12-03 Massachusetts Institute Of Technology Efficiency maximization for device-to-device wireless charging
US10797535B2 (en) * 2017-10-09 2020-10-06 Integrated Device Technology, Inc. Q-factor measurement
EP4138987A1 (en) 2020-04-22 2023-03-01 The Regents of the University of California Apparatus and methods for real-time resonance adaption for power receivers

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12009675B2 (en) 2020-04-22 2024-06-11 The Regents Of The University Of California Apparatus and methods for real-time resonance adaptation for power receiver

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021216256A1 (en) 2021-10-28
EP4138987A1 (en) 2023-03-01
US12009675B2 (en) 2024-06-11
US20230216347A1 (en) 2023-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kiani et al. An RFID-based closed-loop wireless power transmission system for biomedical applications
Lee et al. A triple-loop inductive power transmission system for biomedical applications
US8749358B2 (en) Passive transponder for an RFID system, and method of transmitting data from/to a data source of such a passive transponder
US20160022216A1 (en) Remotely powered sensory implant
US20240146115A1 (en) Integrated Energy Harvesting Transceivers and Transmitters With Dual-Antenna Architecture for Miniaturized Implants and Electrochemical Sensors
Ye et al. A wireless power and data transfer receiver achieving 75.4% effective power conversion efficiency and supporting 0.1% modulation depth for ASK demodulation
Lyu et al. A 13.56-MHz− 25-dBm-sensitivity inductive power receiver system-on-a-chip with a self-adaptive successive approximation resonance compensation front-end for ultra-low-power medical implants
Liu et al. An RF-DC Converter IC With On-Chip Adaptive Impedance Matching and 307-$\mu $ W Peak Output Power for Health Monitoring Applications
US12009675B2 (en) Apparatus and methods for real-time resonance adaptation for power receiver
Rahmani et al. A wireless power receiver with an on-chip antenna for millimeter-size biomedical implants in 180 nm SOI CMOS
Chang et al. Wireless powering electronics and spiral coils for implant microsystem toward nanomedicine diagnosis and therapy in free-behavior animal
WO2022133501A1 (en) Wireless recording system-on-chip for distributed neural interface systems with inductive power delivery and uwb data transmission
Wu et al. CMOS high-efficiency wireless battery charging system with global power control through backward data telemetry for implantable medical devices
Theodoridis et al. Distant energy transfer for artificial human implants
Kiani et al. Evaluation of a closed loop inductive power transmission system on an awake behaving animal subject
CN108448741B (zh) 一种自适应恒压高效率无线供电系统
Chaimanonart et al. Adaptive RF power control for wireless implantable bio-sensing network to monitor untethered laboratory animal real-time biological signals
US20110166629A1 (en) Measuring antenna matching via transmitter current draw
US11063637B2 (en) Systems and methods for low-power near-field-communication
Karimi et al. Wirelessly powered and bi-directional data communication system with adaptive conversion chain for multisite biomedical implants over single inductive link
Mohamadi Working frequency in wireless power transfer for implantable biomedical sensors
Mutashar et al. Efficient low-power recovery circuits for bio-implanted micro-sensors
Badr et al. Controlling wireless power transfer by tuning and detuning resonance of telemetric devices for rodents
Karimi et al. Modeling and analysis of a wirelessly powered closed-loop implant for epilepsy
Iero et al. RF-powered HF-RFID analog sensors platform

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20221114

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240306