عنوان پایان‌نامه
بررسی و طراحی بهینه مدارهای استحصال انرژی گرمایی به منظور تأمین توان ضربان‌ساز مصنوعی قلب
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک-مدار وسیستم
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2687;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 68738
- تاریخ دفاع
- ۲۶ خرداد ۱۳۹۴
- دانشجو
- محمدرضا اشرف
- استاد راهنما
- ناصر معصومی
- چکیده
- ضربان‌سازهای مصنوعی قلب برای تأمین توان خود به باتری نیاز دارند. این باتری با توجه به انرژی محدود آن، باید هر پنج سال عوض شود. تعویض این باتری نیازمند جراحی می‌باشد. از طرفی بیش از نیمی از حجم ضربان‌ساز را باتری آن تشکیل می‌دهد. استفاده از منابع انرژی داخل بدن راه‌کاری جایگزین به منظور حذف باتری و تأمین توان این ضربان‌سازها است. در میان انرژی‌های موجود در بدن، انرژی گرمایی یکی از مهم‌ترین منابع دردسترس و بزرگ انرژی به شمار می‌آید. در این پژوهش، با استفاده از روش‌های مداری استحصال انرژی گرمایی، یک منبع تغذیه به‌منظور تأمین توان ضربان‌سازهای مصنوعی قلب طراحی و شبیه‌سازی گردیده است. در این راستا، از یک مولد ترموالکتریک بسیار کوچک استفاده شده است تا اختلاف دمایی موجود در بدن را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. با توجه به اختلاف دمایی که بین پوست و چربی وجود دارد، این مولد قادر است ولتاژی در حدود 40 میلی‌ولت با توان 200 میکرووات تولید نماید. نظر به اینکه این ولتاژ بسیار کم است، مدار چندبرابرکننده ولتاژی طراحی گشته است تا ولتاژ 40 میلی‌ولت را به ولتاژ 5/2 ولت با بازدهی زیاد تبدیل نماید. راه‌اندازی این سیستم به صورت داخلی و تنها با کمک سیگنال ورودی 50 تا 60 میلی‌ولت در هشت ثانیه انجام می‌شود. این مدار نیازمند هیچ مرجع ولتاژ خارجی دیگری نیست. از دستاوردهای حاصل از این پژوهش می‌توان به استخراج معادلات ردیابی حداکثر توان در مبدل‌های بالابرنده و ارائه روشی نو در این زمینه، طراحی ساختار راه‌اندازی مبدل بالابرنده از ولتاژهای بسیارکم و استخراج و تحلیل معادلات تلمبه‌بار اشاره کرد. ارائه ساختار تلمبه‌بار با توانایی تبدیل ولتاژهای بسیار کم، طراحی نوسان‌ساز با قابلیت کارکرد در ولتاژهای بسیار کم و طراحی مقایسه‌گر با ولتاژ ثابت داخلی نیز از جمله دستاوردهای دیگر این پژوهش است. شبیه‌سازی این مدار، پس از طراحی جانمایی و استخراج عناصر پارازیتی به کمک نرم‌افزار Cadence و با استفاده از تکنولوژی 180 نانومتر CMOS 3/3 ولت صورت پذیرفته است. واژگان کلیدی: ضربان‌سازهای مصنوعی قلب، استحصال انرژی گرمایی، مبدل بالابرنده، ولتاژ کم، بازدهی زیاد.
- Abstract
- Pacemakers need batteries as their power supplies. As the capacity of the battery is limited, it should be replaced by a new one every five years. Battery replacement is cumbersome since it requires surgical procedures. In addition, above 50 percent of the volume of a pacemaker is occupied by its battery. One of the alternative methods to power up implantable pacemakers is using energies which exist inside the body. Among the existing energies inside the body, thermal energy is an available and a reliable source of energy. In this work, using thermal energy harvesting approaches, a power supply has been designed and simulated which can be used as the power supply of implantable pacemakers. For this purpose, a micro-TEG has been used to convert the thermal gradient -which exists between different parts of the body- to electrical energy. With respect to the thermal gradient which exists between the skin and the fat, this micro-TEG can deliver 200uW power at 40mV to a load. Since the output voltage of this TEG is very low, a multiplier circuit has been designed to convert the voltage from 40mV to 2.5V effectively. The startup mechanism of this architecture is completely internal and can be done using a 50-60mV input voltage in 8 seconds. This circuit needs no external reference voltage. Extraction of Maximum Power-point Tracking equations, designing a novel architecture to startup the boost converter from ultra-low voltages and derivation of the charge pump equations are among the acheivements of this research. Also, a high efficiency, low-voltage charge pump, a low-voltage oscillator and a self-reference comparator has been proposed The circuit was designed and simulated by HSpice using a 180nm/3.3V CMOS technology. Layout and post-layout simulations have been done using Cadence Assura to insure the reliability of the circuit. Keywords: Pacemakers, Thermal energy harvesting, Boost converter, Low voltage, High efficiency.
