具有体腔通道通信功能的植入式心血管生物电信号采集与刺激电路，用于经导管无导线起搏器

《IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems》：Implantable Cardiovascular Biopotential Acquisition and Stimulation Circuit With Body-Channel Communication for Transcatheter Leadless Pacemaker

集成谐振调节与片上天线设计的402 MHz无线植入式电源系统实现65%高效转换

　　

摘要：

本文设计了一种用于深层组织生物植入物的无线电力传输（WPT）系统，该系统由一个电压模式全集成谐振调节整流器（IR3）和一个工作在402 MHz频率的片上天线组成。所提出的IR3整流器包含一个200 pF的解耦电容，采用0.22 mm2的 active area 在180-nm CMOS工艺中实现。基于充电时间的调节补偿电路在1.8 V输出电压下提供了0.3%的低纹波系数和1.73的高电压转换效率（VCE），以克服由于深层植入场景导致的低感应耦合系数（低于0.01）问题。此外，还提出了一种基于时钟门控的VCDL（电压控制延迟）补偿方案，用于补偿IR3整流器的相位误差。IR3整流器在同一阶段同时完成整流和调节功能，有效提升了电力转换效率。整个系统在1.5 mW负载下的电力转换效率（PCE）达到了65%。此外，基于数字控制的补偿电路还改善了其瞬态响应性能：当负载从65 μW变化到1.5 mW时，设置时间仅为6.9 μs。

引言

近年来，微型化、安全可靠的无线可植入设备在临床试验和诊断中得到了越来越多的应用，例如人工耳蜗、视网膜植入物、皮质植入物和周围神经植入物[1]、[2]、[3]、[4]。其他近期研究也关注了深层组织的微型生物植入物，如心脏起搏器[5]。对于某些可穿戴传感器节点和表面植入物，厘米级的离片RX天线是可行的。然而，对于某些深层植入物（如植入式血压传感器），其尺寸受到严格限制，因为较大的植入物体积会增加血栓形成的风险[6]。另有研究表明，微型植入物对植入部位环境的影响较小，能有效降低组织炎症和正常细胞死亡的概率[7]，因此有必要减小深层植入物的尺寸。由于提高工作频率可以有效减小无源设备的尺寸，将工作频率提升到亚GHz频段被认为是一种有效的减小深层生物植入物体积的方法[8]。然而，大多数无线供电植入物的工作频率低于50 MHz，这些植入物的尺寸通常受到RX天线尺寸的限制。美国联邦通信委员会（FCC）将402-405 MHz频段分配给医疗植入通信服务（MICS）应用。在此频段工作的植入物可以使用片上线圈代替离片线圈，进一步实现微型化。此外，已有研究表明，在100 MHz以上频率下运行对于毫米级可植入设备（如脑电图（ECoG）和神经信号采集系统）是可行的[9]、[10]。在该频率范围内，谐振电感器和电容器可以集成在单个芯片上。