Ingeniería Biomédica
Permanent URI for this collectionhttps://hdl.handle.net/20.500.12404/14255
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Item Diseño de una unidad de gestión de energía para dispositivos médicos implantables con alimentación basada en transferencia inalámbrica de potencia por ultrasonido(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2025-04-03) Vilca Pizarro, Julio David; Saldaña Pumarica, Julio CésarEsta tesis presenta el diseño de un circuito integrado de Unidad de Gestión de Energía (PMU), destinada a dispositivos médicos implantables (IMDs) alimentados mediante transferencia inalámbrica de potencia por ultrasonido. El diseño considera las restricciones propias de los IMDs, como la baja disponibilidad de energía y la necesidad de alta eficiencia para evitar daños térmicos en el tejido circundante. El circuito fue diseñado en una tecnología estándar CMOS de 0.18 μm de TSMC, y las simulaciones se realizaron utilizando el software Cadence. El diseño del PMU se basa en un rectificador activo CMOS compuesto por un núcleo, dos comparadores, dos buffers, una referencia de corriente compensada en temperatura y un limitador de voltaje. El núcleo del rectificador fue diseñado utilizando dos transistores PMOS en configuración cross-coupled y dos transistores NMOS como interruptores activos para la conversión de voltaje AC a DC. Los comparadores fueron diseñados con una topología de puerta común para generar el voltaje de control necesario para la activación de los interruptores activos. Estos comparadores, optimizados para funcionar con una corriente de polarización de 1 μA, logran una ganancia de 48.37 dB, una frecuencia de ganancia unitaria de 221.8 MHz y un PSRR de 48.22 dB. Los buffers fueron diseñados con cadenas de cuatro inversores CMOS en configuración exponential horn, para restaurar el voltaje de salida del comparador con el mínimo tiempo de propagación. La referencia de corriente compensada en temperatura, diseñada con una topología basada en self-cascode composite transistors (SCCT), genera una corriente de 1 μA con un coeficiente de temperatura de 71.54 ppm/◦C y regulación de línea de 9.14 nA/V, para suministrar la corriente de polarización necesaria a los comparadores. El limitador de voltaje fue implementado mediante transistores en configuración diodo conectados en antiparalelo para proteger el circuito de posibles sobrevoltajes superiores a 1.8 V. Con un consumo de potencia total de 21.7 μW, el circuito PMU logra una eficiencia de conversión de potencia (PCE) de 95.48% y una relación de conversión de voltaje (VCR) de 87.29%. Alimentado por un modelo de transductor piezoeléctrico con potencia máxima disponible de 524.7 μW, frecuencia de 1.5 MHz e impedancia de Zpiezo = 2.14 kΩ + j398.7 Ω, el PMU es capaz de entregar una potencia de salida DC de 459.6 μW y un voltaje de salida DC de 1.17 V a la carga. El circuito PMU ha demostrado un desempeño robusto en condiciones de variaciones extremas de proceso, voltaje y temperatura, e incorporando una red de acoplamiento de impedancias externa, logra un PCE superior al 83.66% y un VCR superior al 93.39% en el peor de los casos.