عنوان پایان‌نامه
طراحی و پیاده سازی سیستم بی سیم شارژ باتری برای دستگاه تحریک عمقی مغز
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک-مدار وسیستم
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2781;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 70301
- تاریخ دفاع
- ۳۰ خرداد ۱۳۹۴
- دانشجو
- ایمان قطبی
- استاد راهنما
- امید شعاعی, شاهین جعفرآبادی آشتیانی
- چکیده
- دستگاه تحریک عمقی مغز (DBS) برای اعمال سیگنالهای الکتریکی به بخش مرکزی سیستم عصبی، در ناحیه سینه بیمارانی کاشته می‌شود که دچار اختلالات عصبی-حرکتی مانند رعشه و پارکینسون هستند. این دستگاه از مدارهای الکترونیکی برای تولید پالس‌های تحریک استفاده می‌کند. بکارگیری باتریهای قابل شارژِ مجدد یکی از روش‌های تأمین انرژی مورد نیاز این مدارها است که نسبت به باتریهای غیرقابل شارژ ظرفیت کم‌تر، اندازه کوچک‌تر و عمر طولانی‌تری دارند و کاهش تعداد عمل‌های جراحی برای تعویض باتری را در پی خواهند داشت. برای شارژ این باتری‌ها باید انرژی از بیرون بدن به درون آن انتقال یابد. در این پایان‌نامه سیستم شارژ بی‌سیم باتری لیتیومی مبتنی بر روش انتقال توان القایی (مغناطیسی)، طراحی و پیاده‌سازی شده است. این سیستم از تقویت‌کننده توان کلاس E، سیم‌پیچ‌های انتقال توان و یکسوساز تشکیل یافته است. روش شارژ پالسی به علت کوتاه‌کردن زمان شارژ، افزایش طول عمر باتری و امکان پایش مستمر باتری در حالت مدار باز انتخاب شده است. در این روش پالس‌های جریان به باتری تزریق می‌گردد و در فواصل زمانی میان دو پالس، شارژر از باتری جدا می‌شود. لزوم وجود منبع جریان برای تحقق الگوی شارژ پالسی منجر به طراحی یکسوسازی با خروجی جریان ثابت نسبت به تغییرات بار شد. این یکسوساز از سلف سری در ورودی بهره می‌برد و این عنصر نقش تطبیق بار برای لینک القایی را نیز ایفا می‌کند. روشی گام به گام برای طراحی سیستم با بازده مناسب و تأمین جریان شارژ مطلوب پیشنهاد گشته و بر مبنای این روش سیستمی با بازده کل %4/35 پیاده‌سازی شده است که جریان شارژ mA 26 را تأمین می‌کند. سیم‌پیچ‌ها از یکدیگر mm 10 فاصله دارند و قطر سیم‌پیچ درون بدن mm 27 است. داده‌های شارژ باتری شامل جریان، ولتاژ و دما از درون به بیرون بدن با مدولاسیون LSK و فرمان‌های کنترل از بیرون به درون بدن با مدولاسیون ASK با نرخ 10 kbps مخابره می‌شوند. برای جبران‌سازی تغییرات ضریب تزویج و بار، روش‌هایی بر اساس سوئیچ خازن‌های بخش درونی ارائه شده است که جریان شارژ را ثابت نگاه می‌دارند و از افت بازده می‌کاهند. واژه‌های کلیدی: انتقال توان بی‌سیم، شارژر بی‌سیم، یکسوساز با خروجی جریانی، تزویج مغناطیسی، تحریک عمقی مغز.
- Abstract
- Deep Brain Stimulation (DBS) system is implanted under the skin in the patient’s chest by surgary and sends electrical pulses to specific areas of the brain (brain nucleus) for the treatment of movement disorders such as tremor and Parkinson’s disease. It employs electronic circuits and systems to generate stimulating current or voltage pulses. To power this circuits, there are different approaches. The rechargeable (secondary) batteries have lower capacity but smaller size and longer lifetime in comparison to non-rechargeable (primary) batteries. This leads to a reduction in the number of required battery-replacement surgeries. It is necessary to transfer power from outside to the inside of the human body for recharging mentioned batteries. In this thesis, a wireless Li-ion battery charger based on the inductive powering is designed and implemented. This system is comprised of a class-E power amplifier, inductive link coils, and a rectifier. Current-pulsed pattern is chosen instead of common CC-CV charging pattern beacause it shortens the time of charging, prolongs the battery lifetime, and makes the open-circuit battery monitoring possible. In this technique, current pulses are fed to the battery and between every two consecutive pulses the charger is disconnected from the battery. In order to realize the aforementioned charging pattern, a constant-current source should be utilized. We proposed a full-wave rectifier with a series inductor in its input that causes the output current to be nearly constant versus load variations. The conduction angle of this rectifier expands up to ??? degrees leading to the lower peak to RMS ratio of the diode current. The reactive element used in this rectifier plays the role of load matching network for the inductive link. A step by step system-design method is proposed and a wireless charging system based on that is implemented which provides ?? mA charging current for a ??? mAh battery when two coupled coils are spaced by ?? mm. The overall efficiency of this system is ????% and the outer diameter of the secondary coil (inside) is ?? mm. Data telemetry (downlink) should be supported for sending commands from outside to inside. Furthormore, back-telemetry (uplink) is needed to communicate the charging status data like the battery current, voltage, and temperature during charging. Thus, downlink and uplink are realized by ASK and LSK modulation, respectively, with ?? kbps data-rate. To hold the charging current constant and decline the efficiency fluctuations yielded by the load or coupling coefficient variations, two techniques are proposed making use of the capacitor switching. Keywords: Wireless Power Transfer, Wireless Charging, Current-Output Rectifier, Magnetic Coupling, Deep Brain Stimulation.
