一种工作在402 MHz频率、输出电压为1.73 VCE的谐振调节整流器，该整流器集成了用于生物植入物的片上天线

《IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems》：A 402 MHz and 1.73-VCE Resonance Regulating Rectifier With On-Chip Antennas for Bioimplants

该研究设计了一种402 MHz频率下的集成谐振整流调节器（IR3）与芯片天线系统，专为深组织生物植入物开发。采用0.22微米CMOS工艺实现200 pF解耦电容，在低互感耦合（<0.01）条件下通过充电时长调节补偿电路实现0.3%超低纹波和1.73的高电压转换效率。同时提出基于电压时滞差分锁相环（VCDL）的相位误差补偿方案，配合数字控制补偿电路使负载变化时的响应时间仅为6.9微秒，整体系统转换效率达65% at 1.5 mW负载。

　　

摘要：

本文设计了一种用于深部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的活性区域，通过180-nm CMOS工艺实现。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），以克服由于深部植入环境导致的低电感耦合系数（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。通过在一个阶段内同时完成整流和调节功能，IR3整流器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系统的瞬态响应性能：当负载从65 μW变化到1.5 mW时，响应时间仅为6.9 μs。

引言

近年来，小型化、安全可靠的无线植入式设备在临床试验和诊断中得到了越来越多的应用，例如耳蜗植入物、视网膜植入物、皮质植入物和周围神经植入物[1]、[2]、[3]、[4]。其他研究也关注了深部组织的微型生物植入物，如心脏起搏器[5]。对于一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，对于某些深部植入物（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]，因此有必要减小深部植入物的尺寸。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频段被认为是减小深部组织植入物体积的有效方法[8]。然而，大多数无线供电植入物的工作频率低于50 MHz，这些植入物的尺寸往往受到RX天线尺寸的限制。美国联邦通信委员会（FCC）将402-405 MHz频段分配给了医疗植入通信服务（MICS）。工作在该频段的植入物可以使用片上线圈而非离片线圈，从而进一步实现小型化。此外，已有研究表明，在100 MHz以上频率下，毫米级植入式设备（如皮层电图（ECoG）和神经信号采集系统）是可行的[9]、[10]。在这样的频率下，谐振电感和电容器可以集成在单个芯片上。