论文部分内容阅读
可植入式医疗器械(Implantable Medical Devices,IMDs)已经被临床证明是一种用来缓和神经系统疾病的有效治疗手段,因此提升IMDs的能量效率和性能十分关键。相比于植入式电池的皮下有线供电,通过皮肤进行无线能量传输是目前唯一能够解决电池尺寸以及功率受限问题并且提升IMDs性能的方案。另一方面,IMDs中的能量传输结构应该具有较高的能量转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE),并且能够工作在更小的接收功率以及较远的传输距离下。因此设计一款具有无线能量传输、通用可配置、高效率、低功耗等特点的功能性电刺激器具有非常重大的研究意义。本文通过对功能性神经电刺激器的发展现状进行调研和分析,提出了一些可用于高恒流电压无线功能性电刺激器系统的关键模块。本文所提出的新型的无线能量传输结构——电流源型无线能量传输(current-based wireless power transmission,CWPT)结构,有效地提高了经皮无线能量传输的传输效率和接收端(Rx)的输出电压。与传统感应能量传输结构不同的是,CWPT结构是把接收端(Rx)的LC回路当作一个电流源而不是电压源。这使得CWPT结构即使去掉了需要较多电容和二极管的DC-DC电荷泵或AC-DC倍压器等结构,还是能够达到非常高的能量传输效率和电压转换效率;无线数据传输模块负责恢复出所接收到的调制信号;时钟恢复模块的功能是恢复系统所需的时钟信号;刺激控制模块则是结合数据信号和时钟信号产生低压控制信号,通过电平转换器实现低压信号对CWPT结构输出高电压的控制。本文所设计的电路采用TSMC 0.18μm高压BCD工艺在Cadence-Spectre等软件下进行电路设计和仿真。仿真结果表明,在1MHz交流输入下,CWPT模块能给刺激器提供高达±10V以上的直流电压,实现多种强度的电流刺激;在13.56MHz的交流输入下,无线数据恢复模块能够成功接收并解调出28 bit的数据信号,提供给系统其它各模块;时钟恢复和刺激控制等模块也能够提供正确有效的时钟和控制信号。