应用于植入式经皮能量传输的集成电路研究与设计

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随着医疗技术水平的发展,对应用于植入式的医疗产品的研究越来越多,这些研究给患者带来了福音。在这些研究领域中,一个热点的课题就是经皮能量传输,它解决了给医疗设备供能问题且避免了传统有线能量传输的弊端。这种传输方式利用电感线圈间电磁耦合来传输能量,体内线圈接收的电磁能量必须通过转换和管理才能给植入体内的医疗探测等设备供能。目前,大部分研究都是采用分立器件来进行,搭建的能量恢复及管理系统电路在体积和功耗上都过于庞大,增加了植入的难度。本文受国家自然科学基金的资助,针对植入式经皮能量传输系统开展研究,试图利用集成电路设计出一个集成化程度高、系统较为完善的能量恢复及管理的芯片,实现整个能量传输在体内系统的单片集成化,从而达到较小植入体积、降低功耗、提高传输效率和安全性。本文首先分析了能量恢复及管理的系统链路,同时分析了需要利用集成电路设计的模块,之后对每一个模块的工作原理和电路设计进行了详尽的阐述。能量恢复模块主要包括整流电路、带隙基准、低压差线性稳压源(LDO)等电路。针对于LDO的设计,本文提出一个动态零极点补偿机制和增加压控电流源(VCCS)控制零点共同作用的方法来提高系统稳定性,同时给出一个利用前向跨导通路来提高电源抑制比的机制;能量管理模块主要包括反馈调节电路、过流过温保护电路等,在反馈调节电路中设计了一个可以方便设定高低电平的三角波产生器,利用PWM直流误差放大的工作原理并结合负载电容调制来实现能量反馈调节,相对于传统方案,这种方案电路简单,调节能力可靠。上述模块中的各个电路,都给出了设计指标及性能参数,且都进行了仿真验证。论文采用Global Foundry0.18um CMOS工艺对电路模块进行了版图设计与验证。版图后仿真结果表明,电源恢复模块实现了从交流能量到负载输出60mA、输出电压1.8V的直流能量,其静态电流小于200uA,电源抑制比在直流时小于-90dB,1MHz时小于-30dB,LDO输出从空载到60mA相位裕度均大于60度等。反馈调节等保护电路可以实现对体外发射能量电路的控制和系统在不良工作情况工作下的保护,提高了植入式医疗设备的安全性。
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