CN101632576B - 无线控制的微型植入式无线供能电源管理集成电路芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线控制的微型植入式无线供能电源管理集成电路芯片，包括接收天线、整流电路、稳压电路、解调电路、控制电路和开关电路，整流电路分别与接收天线、稳压电路和解调电路连接，稳压电路分别与解调电路的输入端和开关电路连接，控制电路包括或门、与非门和RS触发器，或门的输出端和与非门的一个输入端连接，RS触发器的输出端和与非门的另一个输入端连接，稳压电路的输出端口与或门的输入端连接，RS触发器的S端和解调电路的输出端口连接，RS触发器的R端和稳压电路的输出端口连接，与非门的输出端通过控制电路的输出端口与开关电路连接，或门的输入端和开关电路的输出端口连接。本发明减小植入器件的体积和功耗、延长寿命、降低成本。

Description

无线控制的微型植入式无线供能电源管理集成电路芯片

技术领域

本发明涉及集成电路、无线控制的植入式无线供能电源管理集成电路芯片，属于植入式医疗仪器技术领域。

背景技术

随着集成电路技术的发展，各种植入式医疗仪器达到更加小型化，功能更强。

植入式医疗仪器种类很多，而且价格昂贵，如各种信号采集器(植入血压、血糖)，刺激器(肌肉、神经)，人工器官等。限制各种仪器使用寿命的关键问题是能量供给问题。若用电池供给能量，不仅增大植器件的体积(许多电池占整个植入器件体积的90％)，造成患者不适，而且电池容量影响器件寿命，一旦电池耗尽，需要手术更换，给患者带来巨大的痛苦和经济负担。能量供给能力也成为限制植入仪器功能的主要因素之一，许多优秀的设计因为供能不足而无法实现。因此，无线供给能量对植入仪器具有非常重要的意义。

植入式医疗仪器植入患者体内，与体外供电装置有皮肤隔离，需要经皮无线供电方式，一般基于电磁耦合原理，利用电磁场穿透皮肤传递能量。利用电磁场传递能量，需要患者佩戴外部充电装置，但体内体外电磁耦合不稳定导致植入器件功能不稳定而失效。为了增强植入仪器的功能和延长使用寿命，目前国际上最关注的是使用无线供能和同时配备备用电池的方案。这就要求植入器件的电源管理模块需要在无线功能和电池供能之间切换选择能量来源来保证器件能量供应。

另一方面，植入器件的供电需求日益复杂。随着半导体工艺的发展，功能复杂性与日俱增，植入器件需要的供电电压各不相同，由5V，3.3V、1.8V、1.2V甚至1V以下。对电源管理集成电路芯片的需求具有多样性的特点。

植入器件的电源管理需要无线控制。在植入人体后，大部分时间是待机状态，只有在关键的时刻需要及时被唤醒进行工作。因此在不需要植入器件工作的时候关断其电源可以节省大量的能源，而在需要器件工作的时候需要可靠地唤醒器件。随着植入器件功能复杂化，往往还需要接收复杂的控制信号控制其工作状态。而植入的使用方式限制了控制只能由无线方式进行。为了无线接收控制信号，需要增加传输信号的无线通路，这会增加一个接收天线，增大植入器件体积。目前国际上先进的解决方案是复用供能和传输控制信号的通路，即用一对线圈同时传输能量和控制信号。

传输控制信号的调制方式是ASK、PSK、FSK。PSK、FSK信号幅度不变，传输控制信号的同时不影响能量供给。但PSK存在相位模糊或时钟同步的问题，电路设计复杂度高，FSK解调电路更加复杂，增加芯片面积和成本。而ASK调制方式相对简单，适合植入式器件传递信息。但是ASK调制信号幅度改变，减弱的信号携带的能量少，会减弱电源供电能力，甚至导致植入器件无法工作。

中国专利CN1200213使用电源信号采样的无线供电通信装置和方法采用的是分立元件设计，需要低功耗的微处理器作为控制单元或无线发射驱动单元。其体积和成本较大。

美国专利US5733313A1和US5733313A“RF coupled implantable medicalsystem with rechargeable power source-has second control device coupledto RF energy receiver，to rechargeable battery，to RF signal transmitterand to implantable medical device，for adjusting charging current”采用独立的能量和信号两路无线RF耦合的方式，为体内提供能量并传输信号，采用了体内体外两个控制器进行闭环控制。其缺点是：需要两路信号通路，增大了整个装置的体积和成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种小体积的无线控制的微型植入式无线供能电源管理集成电路芯片。

本发明的技术方案是：该无线控制的微型植入式无线供能电源管理集成电路芯片包括接收天线、整流电路、稳压电路、解调电路、控制电路和开关电路，所述整流电路分别与接收天线、稳压电路和解调电路连接，所述稳压电路分别与解调电路的输入端和开关电路连接，所述控制电路包括或门、与非门和RS触发器，所述或门的输出端和与非门的一个输入端连接，所述RS触发器的输出端和与非门的另一个输入端连接，所述稳压电路的输出端口与或门的输入端连接，所述RS触发器的S端和解调电路的输出端口连接，所述RS触发器的R端和稳压电路的输出端口连接，所述与非门的输出端通过控制电路的输出端口与开关电路连接，所述或门的输入端和开关电路的输出端口连接。

进一步地，本发明还包括电池，在所述稳压电路和开关电路之间还串联有电池接口电路，所述电池接口电路包括限流二极管P1，该限流二极管P1的阳极与稳压电路的输出端口连接，电池的输出端口、开关电路的输入端和限流二极管P1的阴极相互连接。

进一步地，本发明所述解调电路包括第一电平迁移电路、第二电平迁移电路、减法电路、整形电路、解码电路，所述第一电平迁移电路与稳压电路的输出端口连接，所述第二电平迁移电路和整流电路的输出端口连接，第一电平迁移电路的输出端和第二电平迁移电路的输出端分别与减法电路的输入端连接，所述减法电路的输出端与整形电路的输入端连接，所述整形电路的输出端与解码电路的输入端连接，所述解码电路通过解调电路的输出端口与所述RS触发器的S端连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过采用集成电路技术微缩体积，实现了一种小体积的植入式经皮无线电源管理芯片：实现经皮无线供能，即将经皮传输的RF能量转换为直流电压供电；并无线控制电源供电或关断。通过使用优化逻辑后的控制电路来替代复杂控制器的使用，减小了芯片面积和成本，从而减小了植入电源管理器件的成本、体积、质量和功耗，同时简化了所供电的后端系统的控制功能设计。

本发明通过电池接口电路实现了采用电池作为备用能源的功能，在没有无线供能的情况下，能够使用电池能量供电。若采用充电电池，还可以进行无线充电。适合植入式器件体积小、低功耗待机、无线供能、无线控制、备用电池供电、无线充电的要求。

附图说明

图1本发明电源管理集成电路芯片第一种实施方式的结构示意框图；

图2本发明的控制电路的原理图；

图3本发明电源管理集成电路芯片第二种实施方式的结构示意框图；

图4是本发明电源管理集成电路芯片第二种实施方式中开关电路与电池接口电路相连接的电路原理图；

图5是本发明的解调电路的一种实施方式的原理图；

图6是本发明的稳压电路的一种实施方式的原理图。

具体实施方式

本发明采用集成电路技术实现，可使用0.35umCMOS集成电路工艺制作版图，从而体积和重量上更加优化，实现无线控制电源管理，适合各种植入式器件的无线供电及电源管理。

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1是本发明电源管理集成电路芯片的第一种实施方式的结构示意框图。该电源管理集成电路芯片包括接收天线25、整流电路1、稳压电路2、解调电路4、控制电路5和开关电路24。接收天线25的作用是接收体外传送给进体内的无线能量和控制信号。由集成电路的金属层按照螺旋走线方式制作，也可以采用金属线绕制然后接入到整流电路1的输入端。开关电路24的作用是开启或关断电源管理集成电路芯片的电源输出：开启时输出额定电压值，关断时输出低电平。开关电路24包括输入端、输出端和控制端，其中，控制端可以控制开关电路24的输入端和输出端之间的导通和断开状态。作为开关电路24的其中两种类型，开关电路24可以是选通开关；也可以是具有如图4所示的结构，即开关电路24包括PMOS管P2和输出保护管N1。PMOS管P2是一种开关电路的实现方式，具有控制端、输入端和输出端，控制端可以控制输入端和输出端之间的导通和断开。输出保护管N1的作用是在电源输出关断状态时，将开关电路24的输出端口9即电源管理芯片的输出连接到系统地，起到快速关断输出、保护后端电路免受干扰的作用。也可以不使用输出保护管N1而通过采用输出高阻的方式，将功耗控制在最低。整流电路1分别与接收天线25、稳压电路2和解调电路4连接，对射频信号进行滤波整流，进行AC/DC变换，稳压电路2用于产生额定的更加稳定的直流信号。并且，稳压电路2和与解调电路4的输入端连接以及开关电路24连接。如图2所示，控制电路5包括或门12、与非门13和RS触发器11，或门12的输出端和与非门13的一个输入端连接，RS触发器11的输出端和与非门13的另一个输入端连接，稳压电路2的输出端口7与或门12的输入端连接，RS触发器的S端和解调电路4的输出端口8连接，RS触发器的R端和稳压电路2的输出端口7连接，与非门13的输出端通过控制电路5的输出端口10与开关电路24连接，或门12的输入端和开关电路24的输出端口9连接。控制电路5用于控制本发明电源管理集成电路芯片进入关断或开启状态，即待机低功耗或直流电源输出状态。控制电路5的功能具体说明如下：不论本发明电源管理集成电路芯片输出，即开关电路24的输出端口9是开启状态还是关断状态：如果控制电路5接收到控制开启信号，则开关电路24的输出端口9变为并保持开启状态；如果控制电路5接收到关断控制信号，则开关电路24的输出端口9关断并保持输出低电平。

如图3所示，作为本发明的第二种实施方式，本发明可在第一种实施方式的基础上增加电池6和电池接口电路3。具体地说，在第一种实施方式的稳压电路2和开关电路24之间再串联有电池接口电路3，并根据图4所示将电池接口电路3内的限流二极管P1的阳极与稳压电路2的输出端口7连接，将开关电路24的输入端、限流二极管P1的阴极和电池6的输出端口20相互连接。电池接口电路3可用于实现能量来源切换，当无线信号质量好，稳压电路2的输出比电池6输出高出一个二极管压降的时候，本发明将自动选择稳压电路2的输出；无线信号质量差或者没有无线信号，稳压电路2的输出比较低的时候，本发明将自动选择电池6的输出。若将电池6更换为可充电电池，则本发明还同时具有无线充电的功能：即充电时由电池接口电路3将经过稳压电路2稳压后的无线能量信号经过限流二极管P1给电池6充电，当电池6的电压达到比稳压电路2的输出小一个二极管压降时，充电结束。此处的充电电压和充电电流是稳压电路2和限流二极管P1共同决定的。本发明也可以采用其它方式管理充电，如使用专门的充电管理电路，以精确限制电流和电压。

如图5所示，本发明的解调电路4包括第一电平迁移电路14、第二电平迁移电路15、减法电路16、整形电路17、解码电路18，第一电平迁移电路14与稳压电路2的输出端口7连接，第二电平迁移电路15和整流电路1的输出端口19连接，第一电平迁移电路14的输出端和第二电平迁移电路15的输出端分别与减法电路16的输入端连接，减法电路16的输出端与整形电路17的输入端连接，整形电路17的输出端与解码电路18的输入端连接，解码电路18通过解调电路4的输出端口8与RS触发器的S端连接。其中，解调电路4通过对无线电磁耦合能量和控制信号进行电平变换滤波整形及解码操作，从而解调出控制信号，传送给控制电路5执行。电平迁移电路14、15，可以用二极管串联降压或者用高通滤波器的方式实现。减法电路16可以用典型的差分电路或电压差电路或其它有减法运算功能的电路代替实现。整形电路17可用施密特触发器实现。解码电路18需要根据传输协议的编码方式进行设计。本发明提供了一种简洁的编码方式，用连续N个脉冲作为关断信号，用N进制脉冲计数器实现解码，当解码电路18接收到连续N个脉冲后，就产生一个脉冲信号传递给控制电路5。本发明还可以使用其它编码方式如曼彻斯特编码等和对应的解调电路18来实现解调功能。所采用的无线供能能和控制信号可以由函数发生器产生并经过驱动电路(功率放大器如ClassE放大器)驱动体外线圈发射。

如图6所示，本发明的稳压电路2块包括：带隙基准电路21、EA放大器EA1、输出驱动管P3、反馈电阻网络FB1。稳压电路2的输入端为：整流电路1的输出端口19、稳压电路2的输出端口7、反馈电阻调节正端22、反馈电阻调节负端23。反馈电阻调节正端22、反馈电阻调节负端23之间可以连接电阻，通过改变阻值调节稳压电路2的输出电压值。整流电路1的输出端口19连接带隙基准电路21、EA放大器EA1、输出驱动管P3。输出驱动管P3的S端，即源端输出连接反馈电阻网络FB1。带隙基准电路21的输出端、反馈电阻网络FB1的输出端和EA放大器EA1的同相输入端相互连接。EA放大器EA1的输出端连接输出驱动管P3的G端，即栅端。EA放大器的反相输入端连接反馈电阻网络FB1。整流电路1输出的整流后的射频信号传递给稳压电路2。带隙基准电路21产生标准参考信号，该标准参考信号不随电源电压变化，可给EA放大器做误差运算用。EA放大器EA1，是误差放大器，将跟踪反馈电阻网络FB1和带隙基准电路21输出的误差，其输出用于控制输出驱动管P3的电压。在反馈电阻调节正端22、反馈电阻调节负端23之间并联电阻可调节反馈电阻网络FB1的反馈系数，从而调节输出电压。

综上，本发明是一种专为无线经皮供能设计的电源管理集成电路芯片，体积小适合植入，具有实现经皮无线供能和备用电池相结合的供能、无线充电、无线控制开启和关断电源的功能。并且可以扩展作为无线通信装置使用，将接收的无线控制信号解调还原成原始数字控制信号传递给植入器件。电路简单有效，芯片面积利用率高。节省了植入器件的体积重量和成本。本发明芯片供能稳定，控制过程简单可靠，简化了后端系统的电源管理设计。适用于各种微型化的植入式仪器。

本领域的普通技术人员，可以很容易地将本发明电源管理集成电路芯片应用于各种无线供电及无线遥控场合，如非植入式的能量传输，如RFID、电子货币、自动售票、手持移动设备、工业应用如胎压监测等物理上分离的系统。

Claims (3)

1.一种无线控制的微型植入式无线供能电源管理集成电路芯片，其特征在于：它包括接收天线、整流电路、稳压电路、解调电路、控制电路和开关电路，所述整流电路分别与接收天线、稳压电路和解调电路连接，所述稳压电路分别与解调电路的输入端和开关电路的输入端连接，所述控制电路包括或门、与非门和RS触发器，所述或门的输出端和与非门的一个输入端连接，所述RS触发器的Q反输出端和与非门的另一个输入端连接，所述稳压电路的输出端口与或门的第一输入端连接，所述RS触发器的S端和解调电路的输出端口连接，所述RS触发器的R端和稳压电路的输出端口连接，所述与非门的输出端通过控制电路的输出端口与开关电路的控制端连接，所述或门的第二输入端和开关电路的输出端口连接。

2.根据权利要求1所述的无线控制的微型植入式无线供能电源管理集成电路芯片，其特征在于：它还包括电池，在所述稳压电路和开关电路之间还串联有电池接口电路，所述电池接口电路包括限流二极管P1，该限流二极管P1的阳极与稳压电路的输出端口连接，电池的输出端口、开关电路的输入端和限流二极管P1的阴极相互连接。

3.根据权利要求1或2所述的无线控制的微型植入式无线供能电源管理集成电路芯片，其特征在于：所述解调电路包括第一电平迁移电路、第二电平迁移电路、减法电路、整形电路、解码电路，所述第一电平迁移电路与稳压电路的输出端口连接，所述第二电平迁移电路和整流电路的输出端口连接，第一电平迁移电路的输出端和第二电平迁移电路的输出端分别与减法电路的输入端连接，所述减法电路的输出端与整形电路的输入端连接，所述整形电路的输出端与解码电路的输入端连接，所述解码电路通过解调电路的输出端口与所述RS触发器的S端连接。

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