23611

طراحي و ساخت يك سيستم انتقال توان بيسيم مقاوم در برابر تغيير مكان و فركانس رزونانس سيم پيچ ها جهت كاربرد در سيستم هاي كاشته شده در بدن

كارشناسي ارشد

مهندسي برق گرايش مدارهاي مجتمع الكترونيك

97

1399/12/27

دكتر جواد ياوند حسني

مهندسي برق

در اين پايان نامه طراحي و ساخت انتقال توان بي سيم با كاربرد در سيستم هاي كاشت در بدن صورت گرفته است. ابعاد مدارات تا حد امكان كوچك در نظر گرفته شده تا قابليت كاشت در بدن را داشته باشد. طراحي صورت گرفته بر اساس ساختار تشديد الكترومغناطيسي در فركانس 13.56 مگا هرتز مي باشد. در شبيه سازي هاي اوليه نشان داده مي شود كه در سيستم هاي انتقال توان به فاصله نزديك و با ساختار رزونانسي، در اثر جابجايي مدار گيرنده و فرستنده مقدار تزويج تغيير مي كند، از اين رو براي بيشينگي ولتاژ خروجي مدار گيرنده بايد فركانس مدار فرستنده تغيير نمايد. به منظور بررسي عملكرد سيستم انتقال توان بي سيم با ساختار تشديد سري-موازي، از فرستنده مبتني بر تقويت كننده كلاس E تطبيقي و گيرنده رزونانسي موازي استفاده شده است. سلف گيرنده بر روي بورد مدار چاپي با ظرفيت 290 نانو هانري با ابعاد 8 ميلي متر، تعداد 6 دور و ضخامت مسير 0.2 ميلي متر و فاصله مسيرها 0.2 ميلي متر طراحي شده است. در اين سيستم با تغيير فركانس مدار فرستنده اثر جابجايي تعديل شده است و بدون ايجاد فيدبك مستقيم از مدار گيرنده، فركانس كار مدار جهت بيشينه شدن ولتاژ خروجي تنظيم مي شود. همچنين بهينه سازي ساختار سلف هاي فرستنده و گيرنده به كمك الگوريتم ژنتيك انجام شده است. اين بهينه سازي براي فاصله بين سلف فرستنده و گيرنده 2 سانتي متر و بر مبناي 6 پارامتر شامل اندازه ضلع خارجي، ضلع داخلي و تعداد دورهاي سلف فرستنده و گيرنده انجام شده است، روند بهينه سازي به دو ساختار نوسان ساز كلاس D و نوسان ساز LC ضربدري با ولتاژ تغذيه 15 ولت و در فركانس كاري 13.56 مگا هرتز اعمال شده است، سرانجام ولتاژ خروجي در نوسان ساز كلاس D به 17.04 ولت و با نوسان ساز زوج ترانزيستور متقاطع به 25.31 ولت رسيده است كه نشان دهنده كارايي بهتر نوسان ساز زوج ترانزيستور متقاطع مي باشد. در ادامه يك سيستم مقاوم به جابجايي افقي با استفاده از يك شبكه سلف فرستنده به صورت 3x3 طراحي شده است. همچنين به منظور بهينگي فركانس كاري سيستم از نوسان ساز LC ضربدري استفاده مي شود تا در اثر تغيير ضريب كوپلينگ، فركانس سيستم به طور خودكار اصلاح شود. در اين سيستم بدون ايجاد فيدبك مستقيم از مدار گيرنده، موقعيت مكاني آن تشخيص داده مي شود. بر اساس تغيير فركانس از مقدار نامي 13.56 مگاهرتز، فرستنده اي كه بيشترين هم پوشاني را با گيرنده دارد فعال مي شود و ساير فرستنده ها غيرفعال مي گردد، به اين ترتيب اثر جابجايي گيرنده تعديل مي شود. در بخش گيرنده نيز از يك مدار دو برابر كننده ولتاژ استفاده شده است، تا ضمن يكسو سازي ولتاژ خروجي، دامنه آن نيز به حد مطلوب برسد. بر اساس تزويج بين گيرنده و فرستنده ولتاژ خروجي بين 3 ولت تا 21.5 ولت و تغييرات فركانس مدار در محدوده 10 تا 13.56 مگا هرتز مي باشد. بر اساس داده هاي اندازگيري شده مقاوم بودن اين مدار در برابر جابجايي در مقايسه با سيستم هاي تك فرستنده مرسوم به طور چشمگيري بيشتر است.

1400/03/03

Design and fabrication of a Wireless Power Transfer (WPT) system, robust against the coils displacement and resonance frequency for medical implantable devices

3/18/2022 12:00:00 AM

This thesis presented the design and fabrication of a wireless power transmission (WPT) system for implantation applications. The circuit was designed to be as small as possible to enable implantation. The design was based on the magnetic resonance coupling at 13.56MHz. It was shown through preliminary simulations that in near distance resonant WPT systems, the coupling factor changes due to the displacement of the receiver circuit. Therefore, the transmitter frequency should be altered to maximize the receiver output voltage. A transmitter based on an adaptive class E amplifier and a parallel resonant receiver were used to analyze the performance of a WPT system with a serial-parallel resonant structure. The receiver coil was designed on PCB with the following specifications: 290nH, 8mm outer diameter, 6 turns, 0.2mm conductor width and 0.2mm path spacing. In this system, the effects of displacement were compensated by varying the transmitter frequency. The operating frequency of the circuit was adjusted to maximize the output voltage without a direct feedback from the receiver. Moreover, the structures of the transmitter and receiver coils were optimized through a genetic algorithm. The optimization was carried out for a distance of 20mm based on six parameters of coils, including the length of the outer and inner sides and the number of turns. The optimization was performed on the two structures of class D and cross coupled oscillators using a 15V supply voltage at the operating frequency of 13.56MHz. Finally, the output voltage of the class D oscillator and that of the cross coupled oscillator reached 17.04V and 25.31V, respectively, which showed the superior performance of the cross coupled oscillator. In the next step, a system robust against lateral displacements was designed by using a 33 transmitter coil network. Furthermore, to optimize the operating frequency of the system, a cross coupled oscillator was used to enable the frequency to be automatically adjusted according to variations in the coupling factor. In this system, transmitter circuit detects the location of the receiver without a direct feedback. According to the frequency variations from the nominal 13.56MHz, only the transmitter with the most overlap with the receiver was activated and the other transmitters were deactivated, which compensated for the receiver displacement. The receiver also incorporated a voltage doubler to rectify the output voltage and raise the voltage amplitude to a desired value. Depending on the receiver transmitter coupling, the output voltage and frequency varied within the ranges 3 21.5V and 10 13.56MHz, respectively. The measured data indicated that the proposed circuit is considerably more robust against displacements compared to conventional single transmitter systems.

انتقال توان بي سيم , بهينه سازي سلف , تزويج القاي رزونانسي , تقويت كننده كلاس E , نوسان ساز كلاس D , سيستم انتقال توان مقاوم در برابر جابجايي

Wireless power transmission , Inductor optimization , magnetic resonance coupling , Class-E amplifier , Class-D oscillator , Robust WPT against the coils displacement