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近些年来,普遍采用锂离子供电的胶囊内窥镜日益发展。锂离子电池有限的储能密度和潜在的安全隐患,极大的限制了胶囊内窥镜性能的进一步提升。无线供电实时能量供应、无安全隐患等特点,可以更好的满足现代微型胶囊内窥镜发展的能耗和安全性需求。
本文研究设计了一种可用于无线供电胶囊内窥镜系统的电源管理芯片,无线耦合获得的能量经过芯片转化为稳定的直流量,为胶囊内窥镜中的负载或其他芯片供电。基于系统体积、能量转化效率和工艺实现等限制因素的考虑,在常用无线供电系统结构的基础上,定义了合适的系统结构和性能指标要求,并根据指标要求划分了模块电路。
为了避免感应到的输入电压过高而导致芯片损坏,设计了一种开启电压8V、通流能力大于50 mA的限幅保护电路RF Limiter,并采用衬底交换技术设计了一种CMOS整流桥电路,有效的消除常用整流桥结构在CMOS工艺实现中所存在的衬底泄漏电流过大的问题,计算结果表明整流桥能量转化效率大于60%。
线性稳压器(LDO)是本芯片设计中的核心模块。采用预调制思想设计了一个宽频率范围高PSR带隙基准电路来抑制整流桥输出的2 MHz的纹波,从而减小LDO中的基准电压源(Bandgap输出电压)的纹波,详细分析推导了Bandgap的PSR表达式并根据推导结果进行了PSR优化设计。为了改善LDO的瞬态响应和简化频率补偿方案,采用了一级Class AB跨导放大器(OTA)作为LDO中的误差放大器。出于对系统输出电压限制要求的考虑,采用初步计算评估的方法分别对Bandgap和误差放大器的失调电压进行了分析和估算,根据估算结果对LDO的失调进行了分析评估,使其符合系统定义的范围。LDO的频率补偿采用了一种不依赖于等效串联电阻(ESR)的压控电流源(VCCS)补偿,有效克服了常用ESR补偿中寄生电阻的不确定性和随温度变化的特点,通过VCCS补偿原理的分析和环路稳定性的仿真验证,说明了补偿方案的有效性。
芯片采用0.35μm CMOS工艺进行了流片。实际测试结果表明:CMOS整流桥空载下压降为1 V,输出电压纹波小于5 mV。LDO静态功耗为96μA,最大输出电流大于30 mA,线性调整率0.71 mV/V,负载调整率0.55 mV/mA,启动时间为218μs,其中Bandgap启动时间约为8μs。LDO输出电压在负载电流为空载和15 mA之间切换时输出电压过冲小于25 mV。整机测试结果表明无线供电系统通过电源管理芯片可以为负载提供2.95V-3.05 V,大于15 mA的直流能量。所设计的芯片性能指标达到了系统要求。