面向医疗应用的主动型胶囊内窥镜无线能量管理微系统的研究

摘要

随着人们饮食结构和生活节奏的改变,各种肠胃道疾病的发病率越来越高。这些疾病的检查、诊治,越来越多地向无创、微创方向发展,迫使人们不断探索改进医疗器械。本文围绕相关“863”项目子课题,针对面向全消化道胶囊机器人的自主驱动与控制技术中的一个重要部分-无线能量管理微系统展开研究,试图解决主动型胶囊内窥镜能量供应不足的问题。
　　 论文首先概述了胶囊内窥镜技术的研究背景与现状,分析了限制胶囊内窥镜发展的技术瓶颈。在此基础上引出本文的研究目标,即基于无线能量传输方式的主动型胶囊内窥镜的能量管理微系统的设计和实现。针对直接由外界提供的能量不能满足控制驱动系统的问题,系统引入了一颗定制的小体积锂离子可充电电池,通过能量管理系统可不断对电池充放电,从而满足驱动内窥镜的要求。在对电池性能进行测试、充分掌握其充放电特性的基础上,提出了无线能量管理微系统及各个独立单元(包括整流滤波、两个低压差线性稳压器及电池充电管理电路)的系统指标及性能参数。根据设定的性能指标,对各个单元电路进行了晶体管级的设计和仿真,并运用Cadence Virtuoso和Calibre对电路模块进行了版图布局及验证。
　　 论文设计的微系统芯片采用SMIC0.18μm3.3 V CMOS1p6M工艺,面积为1000μm×2400μm。芯片通过了受能线圈和胶囊机器人控制驱动系统的联合测试,结果表明,设计的胶囊内窥镜能量管理微系统能够实现交流到直流的转换。在负载为12 mA情况下,实现输出电压为4.5 V时,整流滤波电路的电压转换效率达到77.8％,充电电路对电池电压的控制能够实现3.175 V到4.275 V的充放电切换,能较好地实现对电池的充放电管理。两个低压差线性稳压器(LDO)电路的测试结果也都满足具体应用的要求,当LDO2接上胶囊内窥镜驱动系统测试时,整个胶囊能够实现前后加速运动,证明通过此LDO提供的电源在实际应用中是切实可行的。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 胶囊内窥镜的研究意义

1.2 胶囊内窥镜的发展状况

1.3 论文的主要内容

第二章 胶囊内窥镜无线能量管理微系统的架构和指标

2.1 胶囊内窥镜供能与控制微系统工作原理

2.2 驱动原理与控制方式

2.3 锂离子电池及其特性测试

2.4 系统指标的分析与确定

2.5 本章小结

第三章 无线能量管理微系统的电路设计

3.1 整流滤波电路

3.1.1 工作原理

3.1.2 整流滤波电路的设计

3.1.3 比较器的设计

3.1.4 仿真结果

3.2 低压差线性稳压器

3.2.1 工作原理

3.2.2 性能指标分析

3.2.3 LDO1电路的实现

3.2.4 高电源抑制比带隙基准源的设计

3.2.5 仿真结果

3.3 适应于本锂电池的充电电路的设计

3.3.1 电流基准电路

3.3.2 电平转换电路

3.3.3 迟滞比较器电路

3.3.4 充电电路整体结构

3.3.5 仿真结果

3.4 LDO2电路

3.4.1 误差放大器电路设计

3.4.2 过温保护电路设计

3.4.3 过流保护电路设计

3.4.4 软启动电路设计

3.4.5 LDO2整体电路

3.4.6 仿真结果

3.5 本章小结

第四章 版图设计与验证

4.1 各种版图匹配技术

4.1.1 电阻的匹配

4.1.2 MOS管的匹配

4.2 功率管的布局

4.3 系统各模块的版图设计

4.3.1 整流滤波电路的版图设计

4.3.2 基准电路的版图设计

4.3.3 LDO1电路的版图设计

4.3.4 充电电路的版图设计

4.3.5 LDO2电路的版图设计

4.3.6 系统的版图设计

4.4 版图验证

4.5 本章小结

第五章 芯片测试

5.1 芯片照片及测试平台

5.2 测试结果及分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文