Transmission d'énergie sans fil pour les implants biomédicaux

Au cours des dernières années, le progrès des dispositifs électroniques implantables alimentés par des technologies sans fil a évolué continuellement et le besoin d'une alimentation sans fil et durable devient nécessaire pour le développement de ces appareils. La transmission d'énergie sans fil est l'une des technologies clés ayant été utilisée dernièrement pour alimenter les implants biomédicaux. Elle a été en effet l'objet des recherches scientifiques pour le traitement des maladies chroniques. La recherche en neuroscience est l'une des applications où le transfert d'énergie sans fil a amélioré la performance des implants neuronaux et a participé à la réduction de la taille, la complexité et à la consommation d'énergie de ces dispositifs. Ces implants ne peuvent pas utiliser de grosses batteries en raison de l'espace limité et pour éviter le risque associé à la chirurgie invasive pouvant également changer les résultats des expériences. Cette thèse présente le développement d'un système de transmission d'énergie sans fil par couplage inductif pour l'alimentation d'une interface d'enregistrement neuronal. Le système réalisé évite d'utiliser des grosses batteries ou câbles pour fournir l'énergie à ces interfaces et augmente la durée de vie des batteries implantables afin d'effectuer des opérations électrophysiologiques sur les animaux vivants à long terme. Cette base aidera les médecins et neuroscientifiques à suivre le comportement de ces animaux en mouvement libre et pendant une longue période de temps et en tout sécurité. La plateforme sans fil développée utilise une cage énergétique afin d'effectuer ces opérations et dans le but de distribuer la puissance dans plusieurs positions en fonction des déplacements et les mouvements effectués par des animaux des tests à l'intérieur de la cage. Le travail réalisé dans ce mémoire fournit de nouvelles stratégies pour la conception optimale des systèmes d'alimentations sans fil avec des améliorations et de forts résultats expérimentaux. Il comprend en outre le développement de quatre systèmes. Tout d'abord, l'architecture de chaque système sera présentée d'une manière ingénieuse. Par la suite, les performances du système pour des tests expérimentaux seront expliqués. Les résultats de ces tests seront bien sûr interprétés tout en comparant avec des systèmes existants. Une validation de ces résultats sera finalement effectuée avec des animaux vivants pour tester la fonctionnalité de la plateforme dans un cadre réel.In recent years, the progress of implantable electronic devices powered by wireless technologies has evolved continuously and the need for wireless and sustainable power becomes necessary for the development of these devices. The transmission of energy without wire is one of the key technologies used lately to power biomedical implants and which has been the subject of scientific research for the treatment of several diseases such as chronic diseases. Research in neuroscience is indeed one of the applications where wireless energy transfer has improved the performance of neural implants and participated in reducing the size, complexity, and power consumption of these devices. Since these implants cannot use large batteries due to the limited space of these implants and to avoid the risk associated with the surgery, the change of the folds which can also change the results of experiment. In this thesis, a wireless energy transmission system by inductive coupling is presented, this system is used to power a neural interface. Which has made it possible to avoid the use of large batteries or cables to provide energy to these interfaces and which has increase the lifespan of implantable batteries in order to perform electrophysiological operations on living animals and in the long term, this will help physicians and neuroscientists to follow the behavior of these animals in free movement and during a long period of time and in complete safety. The developed wireless platform uses an energy cage to perform these operations and to distribute the power in several positions according to the displacements and the movements carried out by the animals of the tests inside the cage. The work carried out in this thesis provides new strategies for the optimal design of wireless power systems, with innovations and strong experimental results. It also includes the development of four systems with innovations. Firstly, the architecture of each system will be genuinely presented. Furthermore, the performance of the system for testing of the experimental will be explained. The results of these tests will be indeed interpreted in comparison with existing systems. A validation of these results will be finally performed with live animals to test the functionality of the platform in a real setting

A 13.56MHz time-interleaved resonant-voltage-mode wireless-power receiver with isolated resonator and quasi-resonant boost converter for implantable systems

Wireless power transfer (WPT) has been widely adopted in various applications, such as biomedical implants and wireless sensors. A conventional voltage-mode receiver (VM-RX) uses a rectifier or a doubler for AC-DC conversion [1,2]. This requires a sufficiently large input power (P,N) inducing a large voltage (VAC) in the LC tank of the receiver (RX) due to the limited voltage conversion efficiency. A subordinate DC-DC converter is also required for voltage regulation or battery charging, which reduces the overall power-conversion efficiency (PCE) due to the 2-stage structure. To overcome these limitations, the resonant current-mode receiver (RCM-RX) has been proposed for direct battery charging [3] and voltage regulation [4,5]. The RCM-RX has two operation phases: a resonance phase (PHre) that accumulates energy in the LC tank during optimal resonant cycles (NOPT) to track the maximum efficiency [3], and a charging phase (PHch) that delivers the energy of the LC tank to the output, when the resonant current (IAC) is at its peak. However, the RCM-RX typically operates at low resonant frequency fRESO (50kHz to 1MHz) because it is challenging to accurately detect the peak timing of IAC due to the intrinsic delay and offset of the comparator used in the peak timing detector. Operating at low fRESO causes the coil size to increase, making a burden on a size-constrained implant. In addition, the RCM-RX has a LC-tank resonance-loss interval PHch, which hinders optimal power transfer from the transmitter (TX) to the RX because the reactive impedance is not cancelled out but appears on the TX side. Because the LC tank and the output are not isolated during PHch, the power-transfer efficiency (PTE) can also be affected by load variation, such as the battery-voltage (VBAT) variation. These problems become worse as NOPT is reduced to lower number. ?? 2018 IEEE