Wireless Energy and Data Transmission Using Inductive Coupling

유도결합방식에 의한 무선 에너지 및 데이터 전송

Bio-implantable devices such as heart pacers, gastric pacers and drug-delivery systems require power for carrying out their intended functions. These devices are usually powered through a battery implanted with the system or are wired to an external power source. This paper describes an inductive power transmission link, which was developed for an implantable stimulator for direct stimulation of denervated muscles. The carrier frequency is around 1MHz, the transmitter coil has a diameter of 46mm, and the implant coil is 46mm. Data transmission to the implant with amplitude shift keying (ASK) and back to the transmitter with passive telemetry can be added without major design changes. We chose the range of coil spacing (2 to 30mm) to care for lateral misalignment, as it occurs in practical use. If the transmitter coil has a well defined and reliable position in respect to the implant, a smaller working range might be sufficient. Under these conditions the link can be operated in fixed frequency mode, and reaches even higher efficiencies of up to 37%. The link transmits a current of 50 mA over a distance range of 2-15 mm with an efficiency of more than 20% in tracking frequency. The efficiency of the link was optimized with different approaches. A class E transmitter was used to minimize losses of the power stage. The geometry and material of the transmitter coil was optimized for maximum coupling. Phase lock techniques were used to achieve frequency tracking, keeping the transmitter optimally tuned at different coupling conditions caused by coil distance variations.

최근 첨단 과학의 발달과 함께 인체조직에 대한 적용도가 뛰어난 소재가 개발되어 초소형의 이식형 장치가 개선되어감에 따라 전력공급방법의 다양한 연구가 이루어져 유도코일을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 장치가 연구되어오고 있다. 이에 저자는 이론적으로 효율이 100%인 E급 전력증폭기를 사용하여 $2{\sim}30mm$의 공극거리에서 가장 이상적인 주파수를 1MHz로 설정하여 제작하였고, 직경 46mm의 송수신 코일을 이용하여 코일의 비정렬에 대한 전송율이 이격거리가 10mm일 때, 20% 감소되었다. PLL을 사용하여 주파수추적동조법으로 공극거리 15 mm 이내에서는 완만하게 20% 정도의 에너지 전송효율을 얻을 수 있었다. 또한 최적의 공진거리에서 50 mA 정도의 출력전류가 얻을 수 있다는 것은 초소형 전기 자극기와 같은 이식형 장치를 동작시키는데 구동 전력으로 가능하다는 것을 알 수 있었다.