用于植入式医疗装置的逐次逼近式模数转换器

针对植入式医疗装置对模数转换器(ADC)的超低功耗和高精度要求,提出了一种共模恒定型分段混合编码结构的逐次逼近式模数转换器(SAR-ADC)。该SAR-ADC的电容数模转换器DAC中采用分段混合编码结构,兼具了分段二进制编码的低功耗优势和分段温度计编码的高线性度优势。共模恒定型控制方式具有极低的动态功耗。采用HHNEC 0.35μm CMOS工艺完成了10位共模恒定型分段混合编码SAR-ADC的电路和版图设计。后仿真结果表明:所设计的SARADC的电源电压范围为1.8~3V;在采样率为103 s-1的条件下,其有效位数为9.4位;整个SARADC所消耗的电流仅为60nA,在同等工艺条件下具有更低的功耗;所设计的转换器能够满足心脏起搏器等植入式医疗装置的需求。     

微海流能量收集及自动释放装置

介绍一种微海流能量收集及自动释放装置,该装置主要由叶轮、减速机构、机械蓄能机构和自动释放机构4个部分组成。通过试验验证,该装置工作可靠、效率高,可用于深海。经过改进,还可用于微风能收集。     

压电能量收集装置的有限元分析及优化设计

研究了典型的线性和非线性压电能量收集装置,应用了基于ANSYS的有限元分析法对非线性压电能量收集装置进行建模分析,利用瞬态分析法得到系统输出电压与激励频率的对应关系,将有限元分析结果与理论模型推算结果对比,证明了该方法的有效性;并将该方法用于非线性压电能量收集装置的优化分析,通过改变影响系统非线性势函数的磁铁间距,得出在外部宽带低频随机振动源激励下,非线性装置发生随机共振、响应频带拓宽时较优的结构参数。     

一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置

研究了一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置,从理论上分析了该能量收集装置输出开路电压与悬臂梁尖端位移的关系;利用等效电路,分析了负载输出功率与负载电阻的关系,得出了最大输出功率的负载条件.搭建了一套测量系统,以实现对悬臂梁尖端位移和能量收集装置输出电压的测量,得到了能量收集装置随外界振动频率及振动幅度变化的输出特性曲线,并与单梁结构的能量收集装置结果进行了比较.实验结果表明,相比于单悬臂梁结构,基于碰撞的压电宽频能量收集装置能有效地拓宽工作频率范围,实现了宽频能量的收集.     

一种带有最大能量跟踪的宽动态范围射频能量收集电路的设计

本文提出了一种带有最大能量跟踪的射频能量收集电路.该电路通过加入级数来控制环路自动检测不同级数整流器的输出功率,并比较这些输出功率来选择最佳级数,以求在不同输入功率下均能够保持较高的能量转换效率.因此,能量收集电路在保持高灵敏度的同时,可以提高最高能量转换效率,扩展高效率动态范围.基于该设计方法,一个用于特高频频段的带有级数控制回路的3～5级整流器电路在SMIC 55nm工艺下得以仿真、实现.测试结果表明:在915MHz的工作频率下,所设计的射频能量收集电路的最高能量转换效率可以达到61.4%.与此同时,在19dB的输入功率范围内,能量转换效率均能够保持在最高能量转换效率的50%以上,有效扩展了高效率动态范围.此外,该电路在加入控制环路后,仍然有较高的灵敏度,可以在-16.3dBm的输入功率下,驱动一个纯电容负载,获得2V的输出电压.     

能量收集无线网络和数据融合技术

正能量收集无线网络(EH-WN)是一种节点自带能量捕获装置的无线网络,能够通过收集环境中的太阳、风、震动、人体热量、电磁波等的能量,将其转化成可用的电能,从而长时间地工作。EH-WN具有诸多新的特征,能够为网络的流动性和永久运行提供合理的解决方案,但是也面临着能量捕获模型构建、系统运行规划、无线能量与信息联合传输的均衡等挑战性问题。基于此,本期邀请广西大学计算机与电子信息学院李陶深教     

自然能量收集转换器

正~~     

能量捕获无线通信系统的在线式动态能量分配

为了实现数据传输的可持续保障,通过捕获环境能量供能的无线通信系统具有独到的优越性。文中提出了一种在线式动态能量分配算法,假定发射端可通过反馈信道获得信道状态和能量到达的概率分布函数,根据凹函数特性对能量在各个时隙间进行分配,平衡当前时隙可达的信道容量和未来时隙可达的信道容量期望值。仿真结果表明,该算法实现简单,性能接近离线场景下最优的阶梯注水法,与贪婪算法和半保留算法相比,性能增益至少可以提高3 d B以上,具有更好的应用价值。     

新型双方向压电振动能量收集装置的设计与仿真

为了获取空间内各个方向的振动能量,设计了一种新型双方向压电振动能量收集装置,在非线性压电能量收集装置的基础上,通过悬臂梁z方向振动和磁性滚筒x方向的振动以及绕x方向的摇摆来获取多方向的振动能量。利用ANSYS对该模型建模与仿真得到瞬态分析下的系统输出电压与激励频率的对应关系,发现新型压电振动能量收集装置不仅降低了系统的共振频率,而且系统的有效响应频带拓宽了210%。     

一种磁耦合的M形非线性压电振动能量收集装置

针对压电振动能量收集装置在低频范围内工作频带较窄的问题,设计了一种磁耦合的M形非线性压电振动能量收集装置(MEH),建立了MEH的等效机电耦合模型。仿真分析了MEH的输出响应,实验验证了仿真的正确性。研究结果表明,外部非线性磁斥力的耦合作用能够拓宽能量收集装置的工作频带,在0.5 g加速度激励下,工作频带相较于原有无磁耦合装置提升28%。     

蜂窝网络中能量收集基站的能量协作算法

针对蜂窝网络中具有能量收集(Energy Harvesting,EH)功能且固定电网作为必要补充的基站,以最小化基站从固定电网消耗的能量,充分利用收集的清洁能量,减小二氧化碳的排放量为目的,研究基站间的能量协作问题.提出了该类基站间能量协作的新模型,基站从可再生能源收集的能量在使用之前先被存储在容量有限的充电电池中,2个基站之间通过相连的电力线共享收集的能量.基于提出的新模型,采用线性规划、贪婪算法和Lyapunov优化研究3种不同情景下的EH基站能量协作方案,并给出相应的最优离线和实时算法.通过数值模拟,验证算法的有效性,以及能量转移效率和电池容量对能量协作下基站性能收益的影响.     

电路中能量的传递

通过对一个日常容易误解问题的分析，最后经过计算，得出电能是由电磁场来传递的结论，揭示了电能传输的本质．     

基于压电效应的路面能量收集技术

对基于压电效应的沥青路面能量收集技术的可行性和效率进行探讨.路面中存在应力驱动和振动驱动能.速度为60 km/h的标准轴载对沥青路面深40 mm处所做的功约为0.644 J;实测的沥青路面振动频率约在15 Hz.初步试验表明,一个钹式压电换能器阵列,在0.7 MPa 20 Hz的荷载作用下,可产生超过250 V的电压,能稳定点亮8个LED灯,这验证了压电式路面能量收集技术的可行性.压电换能器性能取决于器件的换能效率、储能能力、疲劳寿命,以及与路面刚度的匹配程度.理论和有限元分析表明,针对路面环境,不同换能器的性能各有差异,换能效率约为5%~30%.直径为32 mm的钹式换能器,在0.7 MPa荷载的作用下,可产生高达97.33 V的电压.若荷载频率为20 Hz,则最多可收集到1.2 mW的电能,潜能可观.     

非植入式语言听力辅助装置探索

从语言听力学，耳神经生理学，耳解剖学，医学电子工程学方面探索重度耳聋有聋哑症患者残余听力的利用，提出了一个新的非植入式语言听力辅助装置，此装置可以寿命符合配置条件的患者获得或恢复语言的学习与交流能力，不同于电子耳锅，也不同于现有的听器材，并试制了原始轨，进行了初步临床验证。     

新型射频能量收集系统设计与分析

随着无线传感器网络等电子微系统的发展,作为能量源的电池满足不了长久供电的需求.利用周围环境中的射频能量为自身提供电能已经越来越受到科研工作者的关注.针对目前常用射频能量收集系统转换效率较低的不足,提出了一种由超宽带天线、匹配网络、整流升压电路等组成的新型能量收集系统.利用HFSS软件对超宽带天线进行仿真优化,使得该天线在宽频带下具有较好的特性;通过整流升压电路在不同负载下的整流效率分析,确定了整流器转换效率较高的负载取值范围.新型射频能量收集系统的效率为13.5%,比常用的其他射频能量收集系统的效率提高了将近6%.     

能量收集网络技术研究与发展

能量收集网络(Energy harvesting network,EHN)融合了新能源的优势,为能量受限型网络提供了解决方案,同时实现传统网络的节能减排,为网络的自治与永久运行提供发展前景。针对能量收集网络这一新的研究领域,本文分别从信息论视角、能量收集模型、离线与在线能量规划、无线能量与信息联合传输4个方面综述近年的研究现状与相关结论,旨在为能量收集网络的研究发展提供参考。     

双频无线射频能量收集系统的设计

为了尽可能高效地吸收和整流分布在周围自然空间中的射频能量,提出了一种工作在GSM-1800和UMTS-2100频段的双频射频能量收集系统的设计方法:系统的接收天线部分采用结构简单的宽带八木天线;系统的整流电路部分为应用于低输入功率的双频整流电路;整流电路的匹配电路部分使用微带线匹配,没有使用任何分立贴片元件,以保证整流电路在高频时稳定的性能,同时降低电路实际加工制作的复杂度.最后对系统整体进行了实验室和室外环境的联合测试.实测结果表明,文中提出的双频无线射频能量收集系统在-20～-5 dBm低输入功率下,能够在1. 8 GHz和2. 1 GHz频段获得良好的双频匹配,并且在-5 dBm输入功率下获45%的整流效率,且具有从环境中收集射频能量并输出一定直流电压的能力.     

能量收集通信系统中数据传输的研究

研究在具有能量收集功能的传输节点中数据传输的问题.一方面,对于给定随机到达的数据和能量,研究了通过自适应改变传输速率使得总传输时间最小的优化问题和实现算法.另一方面,研究了初始能量和数据量对最小传输时间的影响.通过仿真验证了传输策略的最优性以及影响最小传输时延的因素.     

自驱动技术与植入式心脏电子医疗器件

 传统的植入式心脏电子医疗器件电池寿命有限,难以为患者提供长期、不间断的监测和治疗,自驱动技术的出现解决了这一难题。介绍了自驱动技术的类型和原理,从供能、传感和电刺激3个方面回顾了自驱动技术在植入式心脏电子医疗器件中的应用,从自驱动植入式心脏电子医疗器件能源的收集和存储管理、植入物的长期生物相容性、电刺激的生物学效应3个方面展望了自驱动技术与植入式心脏电子医疗器件未来的发展方向。