CMOS receiver for wireless powering of implantable biodevices

Abstract

Currently, wireless biomedical devices are indispensable in healthcare, due to their various possible applications, such as physiological parameters monitoring, aiding in diagnosis and assisting in therapies, and the complement or replacement of biological functions. Therefore, exploring ways to prolong their lifetime is imperative, since this allows avoiding invasive surgical procedures to substitute the devices. One way of prolonging the lifespan of these devices is to harvest energy from the ambient or from a dedicated source and use it to charge their batteries. Radiofrequency (RF) energy is suitable for long distance energy transportation and is the basis of all telecommunication systems. Thus, it is available practically everywhere. In addition, its absorption by body tissues, as long as the established limits are not exceeded, does not present significant secondary effects in health. The major purpose of this work is the design of a CMOS system to power wireless implantable biodevices, capable of collecting RF energy, when combined with an antenna, and using it as an energy source to power a battery charging circuit and charge a storage element. Prior to the implementation of the CMOS system, an approach using off-the-shelf components was elaborated on a PCB to determine and analyze the testing conditions to which the first would be exposed. To assess the conversion ability of the PCB rectifier, a 1 kΩ resistive load was added in series to calculate the output DC power by measuring the voltage across it. The suitability of this circuit for wireless power transfer (WPT) was assessed to know and define the conditions and setup to test the CMOS circuit for this energy transfer process. In addition, it allowed to more accurately simulate the behavior and operation of the CMOS system. As proof that energy transfer and conversion occurred, a LED was added to the output of the rectifier with the purpose of turning on when sufficient energy was converted. This system was intended to power a commercial battery charging circuit and charge a supercapacitor, using the WPT setup. The simulations regarding the operation of the CMOS system showed it should be capable of charging a storage element. Different resistive loads were added in parallel to the storage element, in order to mimic the operation of the charging system, when it is powering other circuits. Even though the storage element is charged, it is not charged up to the maximum voltage possible, thus, a battery management system should be added in the future.

Atualmente, os dispositivos biomédicos sem-fios são indispensáveis na área da saúde, devido às diversas aplicações possíveis, tais como a monitorização de parâmetros fisiológicos, a assistência no diagnóstico e em terapias, e no complemento ou substituição de funções biológicas. Assim, a procura de formas para prolongar o tempo de vida destes dispositivos é imperativa, uma vez que, assim, são evitados procedimentos cirúrgicos invasivos para a substituição dos mesmos. Uma forma de prolongar o tempo de vida destes é através da recolha de energia existente no meio ambiente, ou disponibilizada por uma fonte dedicada, e utilizá-la para carregar as baterias presentes nos mesmos. A energia de radiofrequência (RF) é adequada para o transporte de energia a longas distâncias e constitui a base de todos os sistemas de telecomunicações, estando presente praticamente em toda a parte. Para além disso, a sua absorção pelos tecidos do corpo humano, desde que não exceda os limites estabelecidos, não apresenta efeitos secundários para a saúde. O objetivo deste trabalho é a conceção de um sistema CMOS para carregamento de biodispositivos implantáveis e sem-fios, capaz de recolher energia de RF, quando combinado com uma antena, e usá-la como fonte de energia para alimentar um circuito de carregamento de baterias. Antes de implementar o dispositivo em tecnologia CMOS, desenvolveu-se uma abordagem usando componentes comerciais numa placa de circuito impresso para determinar as condições de teste às quais o primeiro estará sujeito. De forma a analisar a capacidade de conversão deste circuito, foi adicionada uma carga de 1 kΩ ao mesmo para calcular a potência de saída DC, através da medição da queda de tensão aos terminais da carga. A adequabilidade deste circuito para transferência de potência sem-fios foi determinada de modo a definir as condições e o equipamento para testar o circuito CMOS, para o mesmo processo. Isto permitiu, ainda, simular de forma mais correta e precisa o comportamento do sistema CMOS. Para provar que ocorreu transferência e conversão de energia, um LED foi adicionado à saída do retificador, sendo ligado quando energia suficiente é convertida. Pretendia-se que este sistema alimentasse um carregador de baterias comercial para carregar um supercondensador, através de transferência de energia sem-fios. As simulações relativas ao funcionamento do sistema CMOS mostraram que este deverá ser capaz de carregar uma bateria. Diferentes cargas resistivas foram adicionadas em paralelo ao supercondensador, de forma a replicar o funcionamento do sistema quando este alimenta outros circuitos. Apesar do supercondensador ser carregado, este não carrega até à tensão máxima disponível, assim, um sistema para gestão do uso bateria deverá ser adicionado.