随着智慧医疗、智能健康的快速发展,应用于穿戴式/植入式生物医用设备的无线能量传输技术具有重要研究价值。现有无线能量传输的方式分为磁谐振式、磁感应式、电场耦合式、微波辐射式和超声波式。其中磁谐振式以其传输距离远、绕射强、辐射低、功率覆盖范围广和可广播式供电等特点,在生物医用设备中广泛应用。考虑到生物体的移动性、安全性以及植入式设备的空间局限,磁谐振无线能量传输技术在输出功率、效率、传输范围和体积等方面存在技术挑战。本文提出了一种高效率高集成度磁谐振无线能量传输总体解决方案,基于该方案,研制了2套无线能量收发系统:针对大功率应用,提出了一套基于前馈型恒压/恒流控制的升压式大功率无线能量收发系统,解决升压式结构环路稳定性问题;针对小功率应用,提出了一套自动跟踪分裂频率的宽范围小功率无线能量收发系统,实现宽耦合范围和负载范围的无线能量传输。基于0.18μm CMOS工艺,对上述两套系统的关键芯片进行了流片验证。1.研发的升压式大功率收发系统芯片集成了高效差分Class-D功率放大器、串联谐振有源整流器、前馈型恒压/恒流控制升压式DC-DC转换器等关键电路。芯片测试结果表明,当工作频率为6.78MHz,在15mm的传输距离上,最大输出电压为4.2V,最大输出功率为1.6W,整流效率为94.94%,转换效率为85.44%,整个系统效率为53.82%。发射和接收的芯片面积分别为0.59mm~2和0.65mm~2。系统符合A4WP充电标准,满足除颠器、人工心脏等大功率医用设备供电需求。其主要创新点如下:(1)提出整流器和升压式DC-DC转换器相结合的能量接收拓扑,构建前馈型控制机制,创新性地利用前级输出电流不随负载和充电时间变化的特性,产生后级DC-DC转换器所需的占空比,无需传统的输出电流检测和反馈机制,在保证控制环路稳定性同时,实现了无线恒压/恒流充电。(2)提出串联谐振有源整流器的反向电流补偿技术,通过在比较器的输入端引入失调电压,补偿反向电流,提高了能量转换效率;同时针对过补偿问题,引入抑制多次导通的逻辑控制电路,实现了无线能量高效、可靠接收。该技术还可用于并联谐振有源整流器。2.研发的宽范围小功率收发系统芯片集成了自动跟踪分裂频率的恒压发射电路、自动幅度控制电路和并联谐振有源整流器等关键电路。芯片测试结果表明:工作频率为1～13.56MHz,当负载为500Ω时,在5～15mm的传输距离范围内,传输效率保持80.15%以上,最大转换效率为90.94%,且最大输出功率为24.59m W;当传输距离为10mm时,在50～1000Ω负载范围内,输出电压基本保持3.7V不变,最大输出功率为129.7m W。发射和接收的芯片面积分别为0.31mm~2和0.37mm~2。系统满足脑电采集、视觉假体等小功率医用设备供电需求。其主要创新点如下:(1)基于电路模型和耦合模模型,分别推导传输效率、输出功率、输入输出电压比与耦合距离及负载的理论数学关系,两套理论结果均得出宽耦合、宽负载范围的传输条件是系统工作频率等于分裂频率,理论结果的一致性进一步表明传输条件正确性。(2)提出基于电感电容振荡器结构的新型线圈驱动方式,以及功率和效率自适应调节机制,无需传统功率放大器、额外的功率调节和最大效率追踪电路;同时在振荡器的输出引入自动幅度控制,保证发射电压恒定。当耦合距离或负载发生变化时,利用变压器耦合的双模振荡器工作在分裂频率的特性,系统自动调节工作频率至分裂频率,一方面,保证了在宽耦合范围内,传输效率和输出功率保持恒定;另一方面保证在宽负载范围内,输出电压恒定。本论文所研制的两套无线能量传输系统,不仅可满足生物医用设备的供电需求,还可以为无线电力传输、携能通信等领域提供一定的技术参考。