CC BY
2БИОМЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА BIOMEDICAL ELECTRONICS
Научная статья УДК 621.3.051.025
https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-87-93 EDN: BIJCQL
Применение ШИМ-управления емкостью конденсаторов для стабилизации выходных характеристик системы индуктивного питания имплантатов
К. О. Гуров *, Э. А. Миндубаев, А. А. Данилов
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Аннотация. Для компенсации смещений передающей и принимающей катушек индуктивности применяется метод изменения емкости конденсатора в передающей части системы индуктивной передачи энергии к имплантируемым приборам. Однако использование данного метода не решает полностью проблему контролируемого управления емкостью конденсатора. В работе для поддержания постоянной выходной мощности в системе индуктивной передачи энергии предложен метод компенсации смещений катушек индуктивности с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управления емкостью схемы с помощью двух последовательных конденсаторов и ключевого транзистора, подключенного параллельно к одному из конденсаторов. Исследовано влияние коэффициента заполнения (скважности) ШИМ-сигнала, частоты ШИМ-сигнала, а также собственных характеристик транзисторов на выходную мощность в системе индуктивной передачи энергии на основе ШИМ-управления емкостью. Показано, что существует множество комбинаций емкостей двух конденсаторов, с помощью которых можно достичь требуемой эквивалентной емкости даже при одинаковом коэффициенте заполнения ШИМ-сигнала. Установлено, что увеличение частоты ШИМ-сигнала, а также снижение крутизны передаточной характеристики ключевого транзистора позволяют повысить выходную мощность в системе индуктивной передачи энергии.
Ключевые слова: беспроводная передача энергии, индуктивная связь, имплантируемые медицинские приборы, конденсаторы, паразитные компоненты
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2024-555).
© К. О. Гуров, Э. А. Миндубаев, А. А. Данилов, 2025
Для цитирования: Гуров К. О., Миндубаев Э. А., Данилов А. А. Применение ШИМ-управления емкостью конденсаторов для стабилизации выходных характеристик системы индуктивного питания имплантатов // Изв. вузов. Электроника. 2025. Т. 30. № 1. С. 87-93. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-87-93. EDN: BIJCQL.
Original article
Application of PWM actuation of capacitor capacitance to stabilize the output characteristics of the implant inductive power supply system
K. O. Gurov*, E. A. Mindubaev, A. A. Danilov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia *[email protected]
Abstract. In order to compensate displacements of transmitting and receiving inductance coils, a method of changing capacitor capacitance in the transmitting part of system of inductive power transfer to implantable devices is applied. However, the use of this method doesn't give a complete solution for the problem of controlled capacitor capacitance management. In this work, to maintain a constant output power in an inductive power transfer system, a method for compensation of inductance coils displacements is proposed using pulse-width modulation (PWM) actuation of circuit capacitance by means of two series capacitors and a switching transistor connected in parallel to one of the capacitors. The effect of PWM signal duty cycle, PWM signal frequency, as well as the intrinsic characteristics of the transistors on the amount of output power in the inductive power transfer system based on PWM actuation of capacitance was studied. It was demonstrated that there are many combinations of capacitances of two capacitors that can achieve the required equivalent capacitance even with identical PWM signal duty cycle. It has been established that increasing the PWM signal frequency and reducing the switching transistor transconductance allow the rise in the output power of inductive power transfer system.
Keywords: wireless power transfer, inductive coupling, implantable medical devices, capacitors, parasitic components
Funding: the work has been supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (Agreement no. 075-15-2024-555).
For citation: Gurov K. O., Mindubaev E. A., Danilov A. A. Application of PWM actuation of capacitor capacitance to stabilize the output characteristics of the implant inductive power supply system. Proc. Univ. Electronics, 2025, vol. 30, no. 1, pp. 87-93. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-87-93.
Введение. Для энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов используется система индуктивной передачи энергии (ИПЭ) [1-3]. Основная проблема, возникающая в системе ИПЭ, - ее чувствительность к взаимным смещениям передающей и принимающей катушек индуктивности при движениях пациента или при изменении толщины тканей пациента вследствие послеоперационного отека [4]. Смещения
приводят к снижению выходной мощности и эффективности системы ИПЭ, что негативно влияет на надежность и безопасность имплантируемого прибора [5, 6]. Для компенсации смещений необходимо изменить емкость конденсатора в передающей части системы ИПЭ, например в усилителе мощности, чтобы поменять рабочий режим [7]. Однако такой метод полностью не решает проблему контролируемого управления емкостью конденсатора.
В настоящей работе для поддержания постоянной выходной мощности в системе индуктивной передачи энергии предлагается метод компенсации смещений катушек индуктивности с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управления емкостью схемы с помощью двух последовательных конденсаторов и ключевого транзистора, подключенного параллельно к одному из конденсаторов.
Материалы и методы исследования. В качестве системы ИПЭ рассмотрена RLC-цепь (рис. 1, а), в которой вместо приемной части применен резистор Ягф Система состоит из генератора синусоидальных сигналов Vgen с амплитудой 10 В и частотой 1 МГц, конденсатора Си катушки индуктивности Lt и нагрузочного сопротивления = 20 Ом.
Рис. 1. Принципиальная схема передающей части системы ИПЭ в виде RLC-цепи с нагрузочным сопротивлением вместо приемной части (а) и с реализацией ШИМ-управления емкостью
с помощью Csl и Cs2 вместо конденсатора Q (б) Fig. 1. The principal diagram of the transmitting part of the inductive power transfer system in the form of an RLC circuit with a load resistance instead of the receiving part (a), as well as the implementation of PWM capacitance control using and Cs2 instead of the capacitor Q (b)
Собственная индуктивность катушки Lt = 9,77 мкГн соответствует передающей катушке индуктивности из системы ИПЭ с внутренним сопротивлением 0,33 Ом и со следующими геометрическими параметрами: внешний диаметр 95 мм, внутренний диаметр 50 мм, шаг между витками 2,5 мм, количество витков 10. Требуемая емкость конденсатора Сt = 2,53 нФ рассчитана таким образом, чтобы резонансная частота колебательного контура соответствовала рабочей частоте генератора. Выходная мощность РВых системы ИПЭ на основе ЯLC-цепи составляет 2,32 Вт при эффективности 97 %.
Для реализации ШИМ-управления емкостью вместо конденсатора Сt установлен ключевой транзистор Т1 с двумя добавленными емкостями. Конденсатор С2 установлен параллельно транзистору Т1, конденсатор С^ - последовательно им (рис. 1, б) [8]. На начальном этапе исследования применен транзистор ГОР8707, который подключен к генератору ШИМ-сигнала.
В рассматриваемом случае эквивалентную емкость Сэкв можно рассчитать по формуле
1
C_„ =-
1 1
— + —
C C
х 2
1 +—sin ( 2 kD )- D 2 к
(1)
где D - коэффициент заполнения (скважность) ШИМ-сигнала, подаваемого на затвор ключевого транзистора Т1.
Результаты и их обсуждение. После преобразования формулы (1) получена формула для определения зависимости емкостей конденсаторов Cs1 и С2 при Cэкв = 2,53 нФ:
С C
C 2 =■
1 н——sin ( 2kD )- D 2к
C - С
(2)
На основе формулы (2) построена зависимость емкостей конденсаторов С^ и Ся2 при изменении коэффициента заполнения ШИМ-сигнала D (рис. 2). Из рис. 2 видно, что существует множество комбинаций значений С^ и Ся2 для того, чтобы емкость Сэкв была равна требуемой емкости конденсатора С = 2,53 нФ. Кривые в данном случае имеют гиперболический характер. Для исследования выбран коэффициент заполнения ШИМ-сигнала D = 65,2 %. Следует отметить, что при D = 65,2 %, Св1 = 4 нФ, Ся2 = 1,5 нФ выходная мощность системы составляет 1,10 Вт, при D = 65,2 %, С^ = 2,54 нФ, СВ2 = 140 нФ выходная мощность равна 2,26 Вт, что соответствует выходной мощности КЬС-цепи без ШИМ-управления емкостью. Таким образом, чем ближе значение С^ к требуемой емкости конденсатора С = 2,53 нФ, тем меньше отклонение от требуемой выходной мощности и менее значительным становится влияние коэффициента D (рис. 3). Так, при Св1 = 4 нФ, Св2 = 1,5 нФ емкость Сэкв = 2,53 нФ только при D = 65,2 %, при Cs1 = 2,54 нФ, С^ = 140 нФ емкость Сэкв = 2,53 нФ при диапазоне значений D = 64,6...65,9 %. В результате выбраны следующие значения: С^ = 4 нФ, С¡2 = 1,5 нФ. Эти значения позволяют изменять Сэкв в диапазоне 1,1-4,0 нФ при изменении коэффициента D.
Рис. 2. Зависимость емкостей конденсаторов Cs1 и Cs2 при изменении коэффициента заполнения ШИМ-сигнала D для управления емкостью: D = 0; 50; 65,2; 100 % (кривые 1-4
соответственно) Fig. 2. Dependence of Cs1 and Cs2 capacitor capacities when changing the duty cycle of the PWM signal D to control the capacitance: D = 0; 50;
65.2; 100 % (curves 1-4, respectively)
Рис. 3. Зависимость эквивалентной емкости Сэкв от коэффициента заполнения (скважности) ШИМ-сигнала D для двух случаев: Cs1 = 4 нФ, Cs2 = 1,5 нФ (кривая 1); Cs1 = 2,54 нФ,
Cs2 = 140 нФ (кривая 2) Fig. 3. Dependence of the equivalent capacitance Сэкв on the duty cycle of the PWM signal D for two cases: Cs1 = 4 nF, Cs2 = 1.5 nF (curve 1);
Cs1 = 2.54 nF, Cs2 = 140 nF (curve 2)
Проанализировано влияние частоты ШИМ-сигнала на выходные характеристики системы ИПЭ на основе ШИМ-управления емкостью. С этой целью в программе LTSpice построена зависимость выходной мощности Рвых от коэффициента заполнения Б при частотах ШИМ-сигнала 1 и 100 МГц (рис. 4). Установлено, что увеличение частоты ШИМ-сигнала позволяет повысить выходную мощность Рвых системы ИПЭ. Так, при Cs1 = 4 нФ, С2 = 1,5 нФ, Б = 65,2 % и частоте ШИМ-сигнала 1 МГц Рвых = 1,10 Вт, при частоте 100 МГц Рвых = 1,22 Вт. В то же время при Б = 0.. .100 % и частоте ШИМ-сигнала 1 МГц Рвых = 1,21.1,10 Вт, при частоте 100 МГц Рвых = 1,55.1,14 Вт. Таким образом, увеличение частоты ШИМ-сигнала позволяет увеличить диапазон допустимой к изменению мощности более чем в 3,5 раза.
Для дальнейшего увеличения выходной мощности Рвых в системе ИПЭ на основе ШИМ-управления емкостью и приближения ее к требуемой Рвых = 2,3 Вт необходимо уменьшение влияния паразитных компонентов транзистора. Изучено влияние изменения сопротивления канала сток-исток ЯСИ ключевого транзистора Т1 в открытом состоянии на выходную мощность системы ИПЭ. С этой целью проведено моделирование в программе LTSpice. Получены следующие результаты: Рвых = 1,06 Вт для транзистора ЖББ7430 (Яси = 1,3 мОм); Рвых = 1,09 Вт для транзистора ^В3034 (Яси = 1,7 мОм); Рвых = 1,22 Вт для транзистора ^8707 (Яси = 17,5 мОм); Р вых = 1,07 Вт для транзистора ЖЬ530 (ЯСИ = 100 мОм). Установлено, что ЯСИ не является ключевой характеристикой, влияющей на Рвых, поскольку как увеличение, так и уменьшение ЯСИ может приводить к повышению выходной мощности.
Для оценки влияния изменения крутизны £ передаточной характеристики ключевого транзистора Т1 на выходную мощность системы ИПЭ проведено моделирование в программе LTSpice. Получены следующие результаты: Рвых = 1,97 Вт для транзистора ЖЬМЬ5103 (£ = 0,44); Рвых = 1,85 Вт для транзистора IRLML6302 (£ = 0,56); Рвых = 1,17 Вт для транзистора IRLML2402 (£ = 1,3); Рвых = 1,08 Вт для транзистора ^3808 (£ = 100). Установлено, что снижение крутизны £ позволяет повысить Рвых в системе ИПЭ на основе ШИМ-управления емкостью. Поскольку крутизна передаточной характеристики £ ключевого транзистора Т1 прямо пропорциональна максимальному току сток-исток /СИ, снижение 1СИ также позволяет повысить Рвых.
Замена ключевого транзистора ГОР8707 на IRLML5103 позволила расширить диапазон допустимой к изменению мощности с Рвых = 1,55.1,14 Вт до Рвых = 1,61.2,16 Вт соответственно, т. е. более чем в 1,3 раза. В системе ИПЭ на основе ШИМ-управления емкостью с помощью ключевого транзистора IRLML5103 достигается Рвых = 1,97 Вт при следующих параметрах: Б = 82 %, Св1 = 4 нФ, С2 = 1,5 нФ, Сэкв = 2,53 нФ, Б = 65,2 % и частоте ШИМ-сигнала 100 МГц, что сравнимо с Рвых = 2,30 Вт при Б = 97 % для ЖС-цепи без ШИМ-управления емкостью.
Заключение. Применение метода компенсации смещений в системе ИПЭ к имплантируемым приборам на основе ШИМ-управления емкостью показало, что существует множество комбинаций емкостей конденсаторов С^ и Ся2, позволяющих достичь
Рвых> Вт
1,0-'-■-'-*-<
О 20 40 60 80 А %
Рис. 4. Зависимость выходной мощности Рвых от коэффициента заполнения (скважности) ШИМ-сигнала D при частоте сигнала 1 МГц (кривая 1)
и 100 МГц (кривая 2) Fig. 4. Dependence of the output power Рвых on the duty cycle of the PWM signal D at various frequencies of this signal: 1 MHz (curve 1) and 100 MHz (curve 2)
требуемой эквивалентной емкости при одинаковом коэффициенте заполнения (скважности) ШИМ-сигнала. Увеличение частоты ШИМ-сигнала, снижение крутизны передаточной характеристики ключевого транзистора или снижение максимального тока сток-исток в транзисторе повышают выходную мощность в системе ИПЭ на основе ШИМ-управления емкостью. Использование транзистора IRLML5103 дает возможность компенсировать изменение выходной мощности вследствие ее смещения в диапазоне 1,61-2,16 Вт.
Литература
1. Karimi M. J., Schmid A., Dehollain C. Wireless power and data transmission for implanted devices via inductive links: A systematic review // IEEE Sensors Journal. 2021. Vol. 21. No. 6. P. 7145-7161. https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3049918
2. Khan S. R., Pavuluri S. K., Cummins G., Desmulliez M. P. Y. Wireless power transfer techniques for implantable medical devices: A review // Sensors. 2020. Vol. 20. Iss. 12. Art. ID: 3487. https://doi.org/10.3390/ s20123487
3. Bazaka K., Jacob M. V. Implantable devices: Issues and challenges // Electronics. 2013. Vol. 2. Iss. 1. P. 1-34. https://doi.org/10.3390/electronics2010001
4. Danilov A. A., Mindubaev E. A., Selishchev S. V. Methods for compensation of coil misalignment in systems for inductive transcutaneous power transfer to implanted medical devices // Biomed. Eng. 2017. Vol. 51. P. 56-60. https://doi.org/10.1007/s10527-017-9684-9
5. Basir A., Shah I. A., Yoo H. Sphere-shaped receiver coil for misalignment-resilient wireless power transfer systems for implantable devices // IEEE Trans. Antennas Propag. 2022. Vol. 70. No. 9. P. 8368-8378. https://doi.org/10.1109/TAP.2022.3161268
6. Maximizing data transmission rate for implantable devices over a single inductive link: Methodological review / A. Trigui, S. Hached, A. C. Ammari et al. // IEEE Rev. Biomed. Eng. 2019. Vol. 12. P. 72-87. https://doi.org/10.1109/RBME.2018.2873817
7. Mindubaev E. A., Selyutina E. V., Danilov A. A. Tuning of class E power amplifier for compensating the effect of the receiver coil implantation depth on the operation of a wireless transcutaneous energy transfer system // Biomed. Eng. 2020. Vol. 54. Iss. 4. P. 258-261. https://doi.org/10.1007/s10527-020-10017-3
8. Matsumoto R., Fujimoto H. Reactance compensation control for multiple-receiver wireless power transfer system with coil inductance variations // 2023 IEEE Wireless Power Technology Conference and Expo (WPTCE). San Diego, CA: IEEE, 2023. P. 1-6. https://doi.org/10.1109/WPTCE56855.2023.10215526
References
1. Karimi M. J., Schmid A., Dehollain C. Wireless power and data transmission for implanted devices via inductive links: A systematic review. IEEE Sensors Journal, 2021, vol. 21, no. 6, pp. 7145-7161. https://doi.org/ 10.1109/JSEN.2021.3049918
2. Khan S. R., Pavuluri S. K., Cummins G., Desmulliez M. P. Y. Wireless power transfer techniques for implantable medical devices: A review. Sensors, 2020, vol. 20, iss. 12, art. ID: 3487. https://doi.org/10.3390/ s20123487
3. Bazaka K., Jacob M. V. Implantable devices: Issues and challenges. Electronics, 2013, vol. 2, iss. 1, pp. 1-34. https://doi.org/10.3390/electronics2010001
4. Danilov A. A., Mindubaev E. A., Selishchev S. V. Methods for compensation of coil misalignment in systems for inductive transcutaneous power transfer to implanted medical devices. Biomed. Eng., 2017, vol. 51, pp. 56-60. https://doi.org/10.1007/s10527-017-9684-9
5. Basir A., Shah I. A., Yoo H. Sphere-shaped receiver coil for misalignment-resilient wireless power transfer systems for implantable devices. IEEE Trans. Antennas Propag., 2022, vol. 70, no. 9, pp. 8368-8378. https://doi.org/10.1109/TAP.2022.3161268
6. Trigui A., Hached S., Ammari A. C., Savaria Y., Sawan M. Maximizing data transmission rate for implantable devices over a single inductive link: Methodological review. IEEE Rev. Biomed. Eng., 2019, vol. 12, pp. 72-87. https://doi.org/10.1109/RBME.2018.2873817
7. Mindubaev E. A., Selyutina E. V., Danilov A. A. Tuning of class E power amplifier for compensating the effect of the receiver coil implantation depth on the operation of a wireless transcutaneous energy transfer system. Biomed. Eng., 2020, vol. 54, iss. 4, pp. 258-261. https://doi.org/10.1007/s10527-020-10017-3
8. Matsumoto R., Fujimoto H. Reactance compensation control for multiple-receiver wireless power transfer system with coil inductance variations. 2023 IEEE Wireless Power Technology Conference and Expo (WPTCE). San Diego, CA, IEEE, 2023, pp. 1-6. https://doi.org/10.1109/WPTCE56855.2023.10215526
Информация об авторах
Гуров Константин Олегович - инженер Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Миндубаев Эдуард Адипович - кандидат технических наук, доцент, ведущий инженер Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Данилов Арсений Анатольевич - кандидат физико-математических наук, доцент, начальник Научно-исследовательской лаборатории беспроводных биомедицинских интерфейсов Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Information about the authors
Konstantin O. Gurov - Engineer of the Institute of Biomedical Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Eduard A. Mindubaev - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Leading Engineer of the Institute of Biomedical Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Arseny A. Danilov - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assoc. Prof., Head of the Research Laboratory of Wireless Biomedical Interfaces, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Поступила в редакцию / Received 26.06.2024 Поступила после рецензирования / Revised 03.09.2024 Принята к публикации / Accepted 11.12.2024
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Полные тексты статей журнала с 2004 по 2024 гг, доступны на сайтах Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru и журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»: http://ivuz-e.ru
