Dem Team um Professor Shi Yi und außerordentlichen Professor Qiu Hao von der Fakultät für Elektronikwissenschaften und -technik der Universität Nanjing in China ist ein wichtiger Fortschritt im Bereich der drahtlosen Energieübertragungstechnologie gelungen, der neue Durchbrüche bei der Energieversorgung invasiver Gehirn-Computer-Schnittstellen bringt.
Da invasive Gehirn-Computer-Schnittstellen langfristig im menschlichen Körper platziert werden müssen und durch Biosicherheit sowie eine hermetisch geschlossene physiologische Umgebung eingeschränkt sind, können sie nicht über physische Kabel mit Strom versorgt werden, sodass nur drahtlose Energieübertragungstechniken infrage kommen. Die kompakte Kapselungsstruktur erschwert jedoch die Wärmeableitung. Wenn die in Wärme umgewandelte Leistungsaufnahme des Chips nicht rechtzeitig abgeführt werden kann, verursacht dies eine Reihe von Problemen. Daher stehen die Verbesserung der Energiewandlungseffizienz und die Reduzierung der Wärmeverluste im Mittelpunkt beim Design des Energiemanagements. Die einstufige Gleichrichtertechnologie mit regelbarer dualer Ausgangsspannung gilt zwar als ideale Lösung, steht jedoch vor Herausforderungen wie einem begrenzten effektiven Ladezeitfenster, Schwierigkeiten bei der Regelung mehrerer Ausgangsspannungen und der Erwärmung durch die Abhängigkeit von PMOS-Aktivdioden.
Als Antwort auf diese Probleme stellt das Forschungsteam eine neuartige hoch-effiziente einstufige, dual geregelte Gleichrichtertopologie vor, die beide Ausgänge innerhalb einer Halbperiode gleichzeitig laden kann und so die Grenzen traditioneller Zeitmultiplex-Verfahren durchbricht. Dies steigert die Lastleistung, die Güte der Versorgungsspannung und die Energiewandlungseffizienz. Ihr innovativer Ladungszuweisungsmodus mildert das Ungleichgewicht der dualen Ausgangsbelastung, erweitert den nominalen Ausgangsstrombereich und erhöht die Stabilität und Anpassungsfähigkeit der Schaltung.
Der Chip wurde im 0,18μm-CMOS-Prozess gefertigt und verifiziert. Praxismessungen zeigen eine Spitzeneffizienz von 92,2% und eine Spitzenlastleistung von 131 mW im stationären Betrieb. Die Spannungen der beiden Ausgänge sind stabil auf 3,3 V und 1,6 V geregelt, wobei die maximale Brummspannung bei 50 mV und 75 mV kontrolliert wird. Bei großen Lastwechseln (×15) zeigt er ein extrem schnelles Einschwingverhalten und vermeidet gegenseitige Kopplungsstörungen der dualen Ausgänge. Mehrere Kernindikatoren erreichen ein international hohes Niveau. Die Ergebnisse wurden am 16. April online im Spitzenjournal für integrierte Schaltungen, dem IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), veröffentlicht. Der Doktorand Zhuang Quanrong (Jahrgang 2024) von der Fakultät für Elektronikwissenschaften und -technik ist Erstautor, außerordentlicher Professor Qiu Hao und Professor Shi Yi sind gemeinsame Korrespondenzautoren. Dr. Xin Zhang, Forscher am IBM Thomas J. Watson Research Center, bot fachliche Anleitung. Die Forschung wurde durch ein Schlüsselprojekt der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung Chinas unterstützt, sowie durch das Kompetenzzentrum des Bildungsministeriums für optoelektronische Materialien und Chiptechnologie.