The human eye contains rich information such as glucose, intraocular pressure, proteins, and antibodies, and this information can be used to diagnose various diseases. Therefore, smart lens, which is a contact lens integrated with a sensor and a sensor interface integrated circuit (IC), is emerging as a promising minimally invasive diagnostic platform. In this paper, a new wireless power transfer method for the smart lens, intra-body power transfer (IBPT) is proposed. The system using IBPT can be implemented in a smaller form factor than the system based on conventional power transfer methods, thereby making it more comfortable to be worn by the patients, and offers the advantage of high degree of freedom in designing the power transmitter. The feasibility of IBPT is verified by simulation and experiment, and new circuit structures which are well suited for the IBPT system are proposed.
An equivalent circuit model of the IBPT system is proposed and verified by some experiment results. Through the system modeling, the optimum power transmission frequency is determined as 1 MHz. At 1 MHz, the AC-DC converter of the power receiver can operate efficiently because it has a large voltage gain over a wide range of the load resistance.
A new AC-DC converter structure for the IBPT system is proposed, where a voltage doubler using threshold-voltage-compensated MOS diodes and a series-parallel charge pump are combined. Since the capacitance between the tissue and the electrode can be used as an input coupling capacitor of the voltage doubler circuit, the use of a large off-chip capacitor can be avoided. In addition, a dynamic threshold-voltage-compensated MOS diode is proposed to be used in the voltage doubler. Compared to the conventional static threshold-voltage-compensated MOS diode, the reverse leakage current is reduced significantly, and the efficiency of the AC-DC converter is therefore increased. Since the size of the dynamic threshold-voltage-compensated MOS diode is smaller than that of the static threshold-voltage-compensated MOS diode, the reduced silicon area can be used to increase the flying capacitance. As a result, the efficiency of the proposed AC-DC converter can be further improved. The proposed AC-DC converter achieves the peak power conversion efficiency of 69.3% and the peak voltage conversion ratio of 3.5 using only one on-chip flying capacitor.
인간의 눈에는 당, 안압, 각종 단백질, 다양한 항체 등 많은 정보가 들어있고, 이 정보를 이용하여 여러 질병을 진단할 수 있다. 따라서 센서와 센서 인터페이스 집적회로가 융합된 스마트 렌즈는 새로운 최소 침습 진단 플랫폼으로 떠오르고 있다. 본 논문에서는 스마트 렌즈를 위한 새로운 무선전력전송 방법인 체내전력전송 (Intra-Body Power Transfer) 이 제안되었다. 기존의 방법보다 더 소형으로 시스템을 제작할 수 있어서 환자의 부담을 줄일 수 있고, 전력 송신기 설계의 자유도가 높다는 장점이 있다. 체내전력전송의 실현 가능성이 시뮬레이션과 실험으로 검증되었고, 체내전력전송에 필요한 회로 설계 방법이 제안되었다.
체내전력전송 시스템의 모델이 제안되었고 실험으로 검증되었다. 모델링을 통해, 적절한 전력 전송 주파수는 1 MHz로 결정되었다. 1 MHz에서 넓은 부하 저항 범위에 대해 큰 전압 이득을 가지기 때문에 수신기의 교류-직류 변환 회로가 잘 동작할 수 있기 때문이다.
체내전력전송 시스템의 수신기에 적합한 새로운 교류-직류 변환 회로도 제안되었다. 문턱 전압 보상이 된 MOS 다이오드가 사용된 배전압 정류 회로와 직렬-병렬 전하 펌프가 결합된 구조이다. 인체 조직과 전극 표면 간에 존재하는 커패시턴스를 입력 커플링 커패시터로 이용할 수 있기 때문에 큰 오프 칩 커패시터의 필요에 대한 부담을 줄일 수 있다. 또한 배전압 정류 회로에 사용하기 위한 새로운 동적 문턱 전압 보상 MOS 다이오드가 제안되었다. 기존의 정적 문턱 전압 보상 MOS 다이오드보다 역 누설 전류가 줄어서 정류 회로의 효율을 높인다. 또한 동적 문턱 전압 보상 MOS 다이오드의 크기가 정적 문턱 전압 보상 MOS 다이오드의 크기보다 상당히 작으므로 그 줄어든 면적을 사용해 더 큰 용량의 플라잉 커패시턴스를 쓸 수 있게 되고, 따라서 제안된 교류-직류 변환기는 기존의 교류-직류 변환기보다 거의 대부분의 동작 조건에서 효율이 높다. 제안된 교류-직류 변환 회로는 1 MHz에서 오직 하나의 온 칩 플라잉 커패시터만을 가지고, 69.3%의 최대 전력 변환 효율과 3.5의 최대 전압 변환 비율을 가진다.
