胶囊内窥镜高效无线供能系统与电源管理芯片设计

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近年来,随着微电子科技和医学技术的进步,各种人体内诊疗装置,如心脏起搏器、视网膜假体、胶囊内窥镜等逐渐得到越来越广泛的应用。然而上述装置性能的不断提升和功能的日益多样化使得能量供给成为限制其发展的瓶颈。传统的钮扣电池供电模式一方面会占用较大空间体积,能量密度较低,另一方面存在一定的安全隐患,而且更换电池代价昂贵。基于电磁感应原理的无线能量传输技术能够提供安全、可靠、持续的能量供给,已经成为相关领域的研究重点。   目前对于无线能量传输系统的研究主要集中于提高能量传输效率以及输出直流电压的稳定性和干净程度两个方向。胶囊内窥镜这种消化道微型诊疗装置在工作时需要在人体内运动和旋转,从而改变到无线供能系统中能量发射和接收装置的相对位置和角度,进而使接收装置上产生的感应电压产生较大波动。这一方面会影响到能量传递的效率大小和稳定性,另一方面也要求系统能量接收端的AC-DC转换电路能够在较大的交流输入范围内提供稳定的直流输出。   本文首先从几何尺寸,耦合线圈制作等方面设计并优化了一种基于电磁感应原理,具有三维接收线圈的无线供能系统,实验证明该系统能够以不低于1%的效率为负载提供百毫瓦级的直流能量供给。然后从负载对电源电压稳定性方面的要求考虑,本文又设计了一种应用于该无线供电系统的低功耗,高电源抑制比的电源管理芯片。芯片采用0.35μm CMOS工艺实现,仿真结果显示其具有提供3V直流电压输出和不小于30mA的电流输出能力,消耗静态电流不超过47μA,并且在输出30mA电流时的负载调节率仅有1%,在3.2V~8V输入范围内的线性调节率仅有0.01%/V。
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