Highly Efficient Smart 3-Coil Wireless Power Transfer System with Automatic Tracking

This paper presents the design of a highly efficient smart wireless powering platform based on object detection algorithm. Power transfer efficiency (PTE) and power-delivered-to-the-load (PDL) are two key parameters used to evaluate the performance of the proposed design. A 3-coil inductive link is used to achieve higher PTE than a 2-coil link when coupled at a considerable distance. The simple design methodology employed enables an optimised geometry for the 3-coil link. The optimised 3-coil link achieves a PTE of 62.1% in measurements. A wireless power transfer system is constructed with a Class-E primary coil driver with 60.6% efficiency. A camera-based tracking system is implemented to maintain the transfer link robustness under changing coupling conditions. The You Only Look Once version.4 (YOLO4) algorithm is used to detect the moving receiver with 71% accuracy and 0.2s response time, and stepper motors controlled by an Arduino process drive the transmitter coil to track the moving receiver coil

High-performance wireless power and data transfer interface for implantable medical devices

D’importants progès ont été réalisés dans le développement des systèmes biomédicaux implantables grâce aux dernières avancées de la microélectronique et des technologies sans fil. Néanmoins, ces appareils restent difficiles à commercialier. Cette situation est due particulièrement à un manque de stratégies de design capable supporter les fonctionnalités exigées, aux limites de miniaturisation, ainsi qu’au manque d’interface sans fil à haut débit fiable et faible puissance capable de connecter les implants et les périphériques externes. Le nombre de sites de stimulation et/ou d’électrodes d’enregistrement retrouvés dans les dernières interfaces cerveau-ordinateur (IMC) ne cesse de croître afin d’augmenter la précision de contrôle, et d’améliorer notre compréhension des fonctions cérébrales. Ce nombre est appelé à atteindre un millier de site à court terme, ce qui exige des débits de données atteingnant facilement les 500 Mbps. Ceci étant dit, ces travaux visent à élaborer de nouvelles stratégies innovantes de conception de dispositifs biomédicaux implantables afin de repousser les limites mentionnées ci-dessus. On présente de nouvelles techniques faible puissance beaucoup plus performantes pour le transfert d’énergie et de données sans fil à haut débit ainsi que l’analyse et la réalisation de ces dernières grâce à des prototypes microélectroniques CMOS. Dans un premier temps, ces travaux exposent notre nouvelle structure multibobine inductive à résonance présentant une puissance sans fil distribuée uniformément pour alimenter des systèmes miniatures d’étude du cerveaux avec des models animaux en ilberté ainsi que des dispositifs médicaux implantbles sans fil qui se caractérisent par une capacité de positionnement libre. La structure propose un lien de résonance multibobines inductive, dont le résonateur principal est constitué d’une multitude de résonateurs identiques disposés dans une matrice de bobines carrées. Ces dernières sont connectées en parallèle afin de réaliser des surfaces de puissance (2D) ainsi qu’une chambre d’alimentation (3D). La chambre proposée utilise deux matrices de résonateurs de base, mises face à face et connectés en parallèle afin d’obtenir une distribution d’énergie uniforme en 3D. Chaque surface comprend neuf bobines superposées, connectées en parallèle et réailsées sur une carte de circuit imprimé deux couches FR4. La chambre dispose d’un mécanisme naturel de localisation de puissance qui facilite sa mise en oeuvre et son fonctionnement. En procédant ainsi, nous évitons la nécessité d’une détection active de l’emplacement de la charge et le contrôle d’alimentation. Notre approche permet à cette surface d’alimentation unique de fournir une efficacité de transfert de puissance (PTE) de 69% et une puissance délivrée à la charge (PDL) de 120 mW, pour une distance de séparation de 4 cm, tandis que le prototype de chambre complet fournit un PTE uniforme de 59% et un PDL de 100 mW en 3D, partout à l’intérieur de la chambre avec un volume de chambre de 27 × 27 × 16 cm3. Une étape critique avant d’utiliser un dispositif implantable chez les humains consiste à vérifier ses fonctionnalités sur des sujets animaux. Par conséquent, la chambre d’énergie sans fil conçue sera utilisée afin de caractériser les performances d’ une interface sans fil de transmisison de données dans un environnement réaliste in vivo avec positionement libre. Un émetteur-récepteur full-duplex (FDT) entièrement intégré qui se caractérise par sa faible puissance est conçu pour réaliser une interfaces bi-directionnelles (stimulation et enregistrement) avec des débits asymétriques: des taux de tramnsmission plus élevés sont nécessaires pour l’enregistrement électrophysiologique multicanal (signaux de liaison montante) alors que les taux moins élevés sont utilisés pour la stimulation (les signaux de liaison descendante). L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) se partagent une seule antenne afin de réduire la taille de l’implant. L’émetteur utilise la radio ultra-large bande par impulsions (IR-UWB) basée sur l’approche edge combining et le RX utilise la bande ISM (Industrielle, Scientifique et Médicale) de fréquence central 2.4 GHz et la modulation on-off-keying (OOK). Une bonne isolation (> 20 dB) est obtenue entre le TX et le RX grâce à 1) la mise en forme les impulsions émises dans le spectre UWB non réglementée (3.1-7 GHz), et 2) le filtrage espace-efficace (évitant l’utilisation d’un circulateur ou d’un diplexeur) du spectre du lien de communication descendant directement au niveau de l’ amplificateur à faible bruit (LNA). L’émetteur UWB 3.1-7 GHz utilise un e modultion OOK ainsi qu’une modulation par déplacement de phase (BPSK) à seulement 10.8 pJ / bits. Le FDT proposé permet d’atteindre 500 Mbps de débit de données en lien montant et 100 Mbps de débit de données de lien descendant. Il est entièrement intégré dans un procédé TSMC CMOS 0.18 um standard et possède une taille totale de 0.8 mm2. La consommation totale d’énergie mesurée est de 10.4 mW (5 mW pour RX et 5.4 mW pour TX au taux de 500 Mbps).In recent years, there has been major progress on implantable biomedical systems that support most of the functionalities of wireless implantable devices. Nevertheless, these devices remain mostly restricted to be commercialized, in part due to weakness of a straightforward design to support the required functionalities, limitation on miniaturization, and lack of a reliable low-power high data rate interface between implants and external devices. This research provides novel strategies on the design of implantable biomedical devices that addresses these limitations by presenting analysis and techniques for wireless power transfer and efficient data transfer. The first part of this research includes our proposed novel resonance-based multicoil inductive power link structure with uniform power distribution to wirelessly power up smart animal research systems and implanted medical devices with high power efficiency and free positioning capability. The proposed structure consists of a multicoil resonance inductive link, which primary resonator array is made of several identical resonators enclosed in a scalable array of overlapping square coils that are connected in parallel and arranged in power surface (2D) and power chamber (3D) configurations. The proposed chamber uses two arrays of primary resonators, facing each other, and connected in parallel to achieve uniform power distribution in 3D. Each surface includes 9 overlapped coils connected in parallel and implemented into two layers of FR4 printed circuit board. The chamber features a natural power localization mechanism, which simplifies its implementation and eases its operation by avoiding the need for active detection of the load location and power control mechanisms. A single power surface based on the proposed approach can provide a power transfer efficiency (PTE) of 69% and a power delivered to the load (PDL) of 120 mW, for a separation distance of 4 cm, whereas the complete chamber prototype provides a uniform PTE of 59% and a PDL of 100 mW in 3D, everywhere inside the chamber with a chamber size of 27×27×16 cm3. The second part of this research includes our proposed novel, fully-integrated, low-power fullduplex transceiver (FDT) to support bi-directional neural interfacing applications (stimulating and recording) with asymmetric data rates: higher rates are required for recording (uplink signals) than stimulation (downlink signals). The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by space-efficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier (LNA). The UWB 3.1-7 GHz transmitter using OOK and binary phase shift keying (BPSK) modulations at only 10.8 pJ/bit. The proposed FDT provides dual band 500 Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate. It is fully integrated on standard TSMC 0.18 nm CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total power consumption measured 10.4 mW (5 mW for RX and 5.4 mW for TX at the rate of 500 Mbps)

An Implantable Peripheral Nerve Recording and Stimulation System for Experiments on Freely Moving Animal Subjects

A new study with rat sciatic nerve model for peripheral nerve interfacing is presented using a fully-implanted inductively-powered recording and stimulation system in a wirelessly-powered standard homecage that allows animal subjects move freely within the homecage. The Wireless Implantable Neural Recording and Stimulation (WINeRS) system offers 32-channel peripheral nerve recording and 4-channel current-controlled stimulation capabilities in a 3 × 1.5 × 0.5 cm3 package. A bi-directional data link is established by on-off keying pulse-position modulation (OOK-PPM) in near field for narrow-band downlink and 433 MHz OOK for wideband uplink. An external wideband receiver is designed by adopting a commercial software defined radio (SDR) for a robust wideband data acquisition on a PC. The WINeRS-8 prototypes in two forms of battery-powered headstage and wirelessly-powered implant are validated in vivo, and compared with a commercial system. In the animal study, evoked compound action potentials were recorded to verify the stimulation and recording capabilities of the WINeRS-8 system with 32-ch penetrating and 4-ch cuff electrodes on the sciatic nerve of awake freely-behaving rats. Compared to the conventional battery-powered system, WINeRS can be used in closed-loop recording and stimulation experiments over extended periods without adding the burden of carrying batteries on the animal subject or interrupting the experiment

Magnetic Resonance Wireless Power Transfer Systems Sensing and Applications

Magnetic Resonance (MR) Wireless Power Transfer (WPT) is a specific case for thewell known inductive coupling principle where energy is transmitted from a transmittingcoil to a receiving one without the need of any wires. This technology brings enhancedcapabilities and offers the possibility to create cutting edge wireless charging systems. Theobjective of this thesis is to understand and develop the elements needed to build a MR WPT system capable of charging multiple wearable devices placed over a large surface.The focus is put in current and voltage sensing at high frequency for system monitor-ing; power amplifier topology design to maintain good performance across a range of loadvalues; and the beamforming and energy hopping applications validation to deal withcharging area coverage and transmission distance issues. The results show how the pres-ence of a receiver can be detected from the current change measured at the transmitter, aswell as voltage measurements are used as redundant information for system failure detec-tion; a class E power amplifier has been successfully designed to operate with loads thatdiffer 1 order of magnitude from each other; beamforming and energy hopping simulationenvironments have been set, and experiments have shown a 50% improve in the receivedsignal strength with the use of beamforming, while the enrgy hopping phenomena hasbeen empirically demonstrated for up to four hops along a planar array of coils. A solidbasis has been set to allow further development of the aimed wireless charging surface

Automatic Positioning System for Inductive Wireless Charging Devices and Application to Mobile Robot

Inductive power transfer (IPT) remains one of the most common ways to achieve wireless power transfer (WPT), operating on the same electromagnetic principle as electrical transformers but with an air core. IPT has recently been implemented in wireless charging of consumer products such as smartphones and electric vehicles. However, one major challenge with using IPT remains ensuring precise alignment between the transmitting and receiving coils so that maximum power transfer can take place. In literature, much of the focus is on improving the electrical circuits or IPT coil geometries to allow a greater transmission range. Nevertheless, most IPT products today rely on precise alignment for efficient power transfer. In this thesis, the use of sensing coils to detect and correct lateral misalignments in a typical IPT system is modeled and tested. The sensing coils exploit magnetic-field symmetry to give a nonlinear measure of misalignment direction and magnitude. To test this idea, three experiments are performed: 1) measure the voltage of experimental sensing coils for various lateral misalignment distances, 2) implement closed-loop control and measure performance for an experimental two-dimensional (2D) automatic IPT alignment mechanism, and 3) test automatic IPT alignment on a plausible mobile robot wireless charging scenario. The experimental sensing coils give a misalignment sensing resolution of 1 mm or less in two lateral directions, allowing automatic alignment control in real time with a maximum lateral positioning error of less than √2 mm. This precise alignment allows for efficient power transfer to occur. When implemented on the mobile robot platform, the automatic positioning system gives similar results, allowing the robot to position itself above a wireless charger precisely—a task the mobile robot cannot accomplish using its navigation camera alone. The results of this experiment give confidence that similar sensing coils can be used to reduce lateral misalignments in scaled IPT systems, such as electric-vehicle wireless chargers

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