Omnidirectional Inductive Powering for Biomedical Implants

mscyc0909

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 WirelessPowerTransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Types of Wireless Power Transmission . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Radiative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Conductive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Capacitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4 Inductive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 A Biomedical Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 InstrumentatedImplants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Transcutaneous Powering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Inductive Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 PoweringSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.2 DataCommunication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 What to Expect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Magnetic Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Maxwell’sEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Time-Domain, IntegralForm . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Time-Harmonic,DifferentialForm . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.3 Constitutive Relations and Ohm’s Law . . . . . . . . . . . 14
2.1.4 Magnetic and Electric Potential . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.5 Current andFlux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Conductive Wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Inductor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Finite Element Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.1 AxisymmetricGeometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.2 2-D Wire Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.3 3-D Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.4 Mutual Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Inductive Link Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 LinkEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 Important Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.2 EquivalentTwo-PortRepresentations . . . . . . . . . . . . 42
3.1.3 Secondary Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.4 Transmitted Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.5 LinkEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.6 LinkGainandCriticalCoupling . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.7 Parallel vs. Series Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 Loose-CouplingApproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 TertiaryCircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.1 Conductive Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.2 Coupled Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 LinkOptimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.1 Operating Frequency: ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.2 Magnetic Design: M0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.3 Winding Losses: R10 and R20 . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.4 Secondary Coil Optimisation: N2 . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4.5 Secondary Coil and Capacitance Tapping . . . . . . . . . . 75
3.4.6 Advanced Gain Stabilisation . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.5 Misconceptions About k and Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4 Power Converters and Voltage Regulators . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1 Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1.1 Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.1.2 Peak Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.3 ClassDRectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.4 ClassERectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.1.5 To Conclude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2 Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1 Semiconductor Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.2 SaturatingClassCInverter . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.3 ClassDInverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.4 ClassEInverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.5 AlternativeLoadNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2.6 Design of an Inductive Link Driver . . . . . . . . . . . . . 104
4.3 VoltageRegulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.1 Linear Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.2 SwitchingRegulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5 Omnidirectional Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2 Multiple Primary Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.1 System Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.2 Worst-CouplingMap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.3 Capsule Endoscope with One Secondary Coil . . . . . . . 123
5.3 Multiple Secondary Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.1 Power-CombiningRectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.2 Worst-CaseConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.3.3 Capsule Endoscope with Three Secondary Coils . . . . . . 134
5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6 Biological Tissue Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.1 Electromagnetic Fields in Biological Tissue . . . . . . . . . . . . 139
6.1.1 NearField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.1.2 FarField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.2 Health Effects of Electromagnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2.1 DirectlyObservableEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2.2 OtherBiologicalEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.3 Exposure Limits and Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.4 Examples from Biomedical Engineering Practice . . . . . . . . . . 148
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7 An Inductive Power Link for a Capsule Endoscope . . . . . . . . . . 151
7.1 Wireless Endoscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2 Design:Choices andMotivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2.1 Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2.2 Operating Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2.3 Coil Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.2.4 VoltageRegulator andRectifier . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.2.5 PowerOptimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.2.6 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.3 Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.4 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.5 BiologicalTissue Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.5.1 ICNIRP Compliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.5.2 LinkEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.5.3 ClassETuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.5.4 Secondary Resonance Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8 A Class E Driver for Deformable Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.1 Class E ZVS Inverter with Transductor . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.2 ControlLoop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.3 MeasurementResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.3.1 DeformingthePrimaryCoil . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.3.2 Varying the Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
8.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
9.1 Comprehensive Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
9.2 MainContributions andAchievements . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.3 FurtherResearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Appendix: Coil Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.1 SingleCoilCharacterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.1.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A.1.2 One-Port S11Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
A.1.3 Two-Port Q
Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
A.1.4 Impedance Analysers and LCR Meters . . . . . . . . . . . 203
A.2 CouplingCharacterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

mscyc0909

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leonken460

thanks a lot

shcatman

很好的书，谢谢啦！

zhang_1_5

xiexie

z765432001

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nestling

哪方面的啊？

dcac123

回复 1# xp212125o


    对于RFID开发而言，是很有用的一本书。

nestling

KANKAN!

wrzyred123

dinging