專利名稱：：無線控制的微型植入式無線供能電源管理集成電路芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及集成電路、無線控制的植入式無線供能電源管理集成電路芯片，屬于植入式醫(yī)療儀器
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種植入式醫(yī)療儀器達到更加小型化，功能更強。植入式醫(yī)療儀器種類很多，而且價格昂貴，如各種信號采集器(植入血壓、血糖)，刺激器(肌肉、神經(jīng))，人工器官等。限制各種儀器使用壽命的關(guān)鍵問題是能量供給問題。若用電池供給能量，不僅增大植器件的體積(許多電池占整個植入器件體積的90%),造成患者不適，而且電池容量影響器件壽命，一旦電池耗盡，需要手術(shù)更換，給患者帶來巨大的痛苦和經(jīng)濟負擔。能量供給能力也成為限制植入儀器功能的主要因素之一，許多優(yōu)秀的設(shè)計因為供能不足而無法實現(xiàn)。因此，無線供給能量對植入儀器具有非常重要的意義。植入式醫(yī)療儀器植入患者體內(nèi)，與體外供電裝置有皮膚隔離，需要經(jīng)皮無線供電方式，一般基于電磁耦合原理，利用電磁場穿透皮膚傳遞能量。利用電磁場傳遞能量，需要患者佩戴外部充電裝置，但體內(nèi)體外電磁耦合不穩(wěn)定導(dǎo)致植入器件功能不穩(wěn)定而失效。為了增強植入儀器的功能和延長使用壽命，目前國際上最關(guān)注的是使用無線供能和同時配備備用電池的方案。這就要求植入器件的電源管理模塊需要在無線功能和電池供能之間切換選擇能量來源來保證器件能量供應(yīng)。另一方面，植入器件的供電需求日益復(fù)雜。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，功能復(fù)雜性與日俱增，植入器件需要的供電電壓各不相同，由5V，3.3V、1.8V、1.2V甚至IV以下。對電源管理集成電路芯片的需求具有多樣性的特點。植入器件的電源管理需要無線控制。在植入人體后，大部分時間是待機狀態(tài)，只有在關(guān)鍵的時刻需要及時被喚醒進行工作。因此在不需要植入器件工作的時候關(guān)斷其電源可以節(jié)省大量的能源，而在需要器件工作的時候需要可靠地喚醒器件。隨著植入器件功能復(fù)雜化，往往還需要接收復(fù)雜的控制信號控制其工作狀態(tài)。而植入的使用方式限制了控制只能由無線方式進行。為了無線接收3控制信號，需要增加傳輸信號的無線通路，這會增加一個接收天線，增大植入器件體積。目前國際上先進的解決方案是復(fù)用供能和傳輸控制信號的通路，即用一對線圈同時傳輸能量和控制信號。傳輸控制信號的調(diào)制方式是ASK、PSK、FSK。PSK、FSK信號幅度不變，傳輸控制信號的同時不影響能量供給。但PSK存在相位模糊或時鐘同步的問題，電路設(shè)計復(fù)雜度高，F(xiàn)SK解調(diào)電路更加復(fù)雜，增加芯片面積和成本。而ASK調(diào)制方式相對簡單，適合植入式器件傳遞信息。但是ASK調(diào)制信號幅度改變，減弱的信號攜帶的能量少，會減弱電源供電能力，甚至導(dǎo)致植入器件無法工作。中國專利CN1200213使用電源信號采樣的無線供電通信裝置和方法采用的是分立元件設(shè)計，需要低功耗的微處理器作為控制單元或無線發(fā)射驅(qū)動單元。其體積和成本較大。美國專利US5733313A1和US5733313A"RFcoupledimplantablemedicalsystemwithrechargeablepowersource_hassecondcontroldevicecoupledtoRFenergyreceiver,torechargeablebattery,toRFsignaltransmitterandtoimplantablemedicaldevice,foradjustingchargingcurrent"采用獨立的能量和信號兩路無線RF耦合的方式，為體內(nèi)提供能量并傳輸信號，采用了體內(nèi)體外兩個控制器進行閉環(huán)控制。其缺點是:需要兩路信號通路，增大了整個裝置的體積和成本。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種小體積的無線控制的微型植入式無線供能電源管理集成電路芯片。本發(fā)明的技術(shù)方案是該無線控制的微型植入式無線供能電源管理集成電路芯片包括接收天線、整流電路、穩(wěn)壓電路、解調(diào)電路、控制電路和開關(guān)電路，所述整流電路分別與接收天線、穩(wěn)壓電路和解調(diào)電路連接，所述穩(wěn)壓電路分別與解調(diào)電路的輸入端和開關(guān)電路連接，所述控制電路包括或門、與非門和RS觸發(fā)器，所述或門的輸出端和與非門的一個輸入端連接，所述RS觸發(fā)器的輸出端和與非門的另一個輸入端連接，所述穩(wěn)壓電路的輸出端口與或門的輸入端連接，所述RS觸發(fā)器的S端和解調(diào)電路的輸出端口連接，所述RS觸發(fā)器的R端和穩(wěn)壓電路的輸出端口連接，所述與非門的輸出端通過控制電路的輸出端口與開關(guān)電路連接，所述或門的輸入端和開關(guān)電路的輸出端口連接。4進一步地，本發(fā)明還包括電池，在所述穩(wěn)壓電路和開關(guān)電路之間還串聯(lián)有電池接口電路，所述電池接口電路包括限流二極管Pl,該限流二極管P1的陽極與穩(wěn)壓電路的輸出端口連接，電池的輸出端口、開關(guān)電路的輸入端和限流二極管P1的陰極相互連接。進一步地，本發(fā)明所述解調(diào)電路包括第一電平遷移電路、第二電平遷移電路、減法電路、整形電路、解碼電路，所述第一電平遷移電路與穩(wěn)壓電路的輸出端口連接，所述第二電平遷移電路和整流電路的輸出端口連接，第一電平遷移電路的輸出端和第二電平遷移電路的輸出端分別與減法電路的輸入端連接，所述減法電路的輸出端與整形電路的輸入端連接，所述整形電路的輸出端與解碼電路的輸入端連接，所述解碼電路通過解調(diào)電路的輸出端口與所述RS觸發(fā)器的S端連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是通過采用集成電路技術(shù)微縮體積，實現(xiàn)了一種小體積的植入式經(jīng)皮無線電源管理芯片實現(xiàn)經(jīng)皮無線供能，即將經(jīng)皮傳輸?shù)腞F能量轉(zhuǎn)換為直流電壓供電;并無線控制電源供電或關(guān)斷。通過使用優(yōu)化邏輯后的控制電路來替代復(fù)雜控制器的使用，減小了芯片面積和成本，從而減小了植入電源管理器件的成本、體積、質(zhì)量和功耗，同時簡化了所供電的后端系統(tǒng)的控制功能設(shè)計。本發(fā)明通過電池接口電路實現(xiàn)了采用電池作為備用能源的功能，在沒有無線供能的情況下，能夠使用電池能量供電。若采用充電電池，還可以進行無線充電。適合植入式器件體積小、低功耗待機、無線供能、無線控制、備用電池供電、無線充電的要求。圖1本發(fā)明電源管理集成電路芯片第一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2本發(fā)明的控制電路的原理圖3本發(fā)明電源管理集成電路芯片第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意框圖4是本發(fā)明電源管理集成電路芯片第二種實施方式中開關(guān)電路與電池接口電路相連接的電路原理圖5是本發(fā)明的解調(diào)電路的一種實施方式的原理圖6是本發(fā)明的穩(wěn)壓電路的一種實施方式的原理圖。具體實施方式本發(fā)明采用集成電路技術(shù)實現(xiàn)，可使用0.35mnCM0S集成電路工藝制作版圖，從而體積和重量上更加優(yōu)化，實現(xiàn)無線控制電源管理，適合各種植入式器件的無線供電及電源管理。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明。圖1是本發(fā)明電源管理集成電路芯片的第一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意框圖。該電源管理集成電路芯片包括接收天線25、整流電路l、穩(wěn)壓電路2、解調(diào)電路4、控制電路5和開關(guān)電路24。接收天線25的作用是接收體外傳送給進體內(nèi)的無線能量和控制信號。由集成電路的金屬層按照螺旋走線方式制作，也可以采用金屬線繞制然后接入到整流電路1的輸入端。開關(guān)電路24的作用是開啟或關(guān)斷電源管理集成電路芯片的電源輸出開啟時輸出額定電壓值，關(guān)斷時輸出低電平。開關(guān)電路24包括輸入端、輸出端和控制端，其中，控制端可以控制開關(guān)電路24的輸入端和輸出端之間的導(dǎo)通和斷開狀態(tài)。作為開關(guān)電路24的其中兩種類型，開關(guān)電路24可以是選通開關(guān)；也可以是具有如圖4所示的結(jié)構(gòu)，即開關(guān)電路24包括PMOS管P2和輸出保護管Nl。PMOS管P2是一種開關(guān)電路的實現(xiàn)方式，具有控制端、輸入端和輸出端，控制端可以控制輸入端和輸出端之間的導(dǎo)通和斷開。輸出保護管Nl的作用是在電源輸出關(guān)斷狀態(tài)時，將開關(guān)電路24的輸出端口9即電源管理芯片的輸出連接到系統(tǒng)地，起到快速關(guān)斷輸出、保護后端電路免受干擾的作用。也可以不使用輸出保護管N1而通過采用輸出高阻的方式，將功耗控制在最低。整流電路1分別與接收天線25、穩(wěn)壓電路2和解調(diào)電路4連接，對射頻信號進行濾波整流，進行AC/DC變換，穩(wěn)壓電路2用于產(chǎn)生額定的更加穩(wěn)定的直流信號。并且，穩(wěn)壓電路2和與解調(diào)電路4的輸入端連接以及開關(guān)電路24連接。如圖2所示，控制電路5包括或門12、與非門13和RS觸發(fā)器11，或門12的輸出端和與非門13的一個輸入端連接，RS觸發(fā)器11的輸出端和與非門13的另一個輸入端連接，穩(wěn)壓電路2的輸出端口7與或門12的輸入端連接，RS觸發(fā)器的S端和解調(diào)電路4的輸出端口8連接，RS觸發(fā)器的R端和穩(wěn)壓電路2的輸出端口7連接，與非門13的輸出端通過控制電路5的輸出端口10與開關(guān)電路24連接，或門12的輸入端和開關(guān)電路24的輸出端口9連接?？刂齐娐?用于控制本發(fā)明電源管理集成電路芯片進入關(guān)斷或開啟狀態(tài)，即待機低功耗或直流電源輸出狀態(tài)?？刂齐娐?的功能具體說明如下不論本發(fā)明電源管理集成電路芯片輸出，即開關(guān)電路24的輸出端口9是開啟狀態(tài)還是關(guān)斷狀態(tài)如果控制電路5接收到控制開啟信號，則開關(guān)電路24的輸出端口9變?yōu)椴⒈３珠_啟狀態(tài)；如果控制電路5接收到關(guān)斷控制信號，則開關(guān)電路24的輸出端口9關(guān)斷并保持輸出低電平。如圖3所示，作為本發(fā)明的第二種實施方式，本發(fā)明可在第一種實施方式的基礎(chǔ)上增加電池6和電池接口電路3。具體地說，在第一種實施方式的穩(wěn)壓電路2和開關(guān)電路24之間再串聯(lián)有電池接口電路3，并根據(jù)圖4所示將電池接口電路3內(nèi)的限流二極管Pl的陽極與穩(wěn)壓電路2的輸出端口7連接，將開關(guān)電路24的輸入端、限流二極管Pl的陰極和電池6的輸出端口20相互連接。電池接口電路3可用于實現(xiàn)能量來源切換，當無線信號質(zhì)量好，穩(wěn)壓電路2的輸出比電池6輸出高出一個二極管壓降的時候，本發(fā)明將自動選擇穩(wěn)壓電路2的輸出；無線信號質(zhì)量差或者沒有無線信號，穩(wěn)壓電路2的輸出比較低的時候，本發(fā)明將自動選擇電池6的輸出。若將電池6更換為可充電電池，則本發(fā)明還同時具有無線充電的功能即充電時由電池接口電路3將經(jīng)過穩(wěn)壓電路2穩(wěn)壓后的無線能量信號經(jīng)過限流二極管Pl給電池6充電，當電池6的電壓達到比穩(wěn)壓電路2的輸出小一個二極管壓降時，充電結(jié)束。此處的充電電壓和充電電流是穩(wěn)壓電路2和限流二極管P1共同決定的。本發(fā)明也可以采用其它方式管理充電，如使用專門的充電管理電路，以精確限制電流和電壓。如圖5所示，本發(fā)明的解調(diào)電路4包括第一電平遷移電路14、第二電平遷移電路15、減法電路16、整形電路17、解碼電路18，第一電平遷移電路14與穩(wěn)壓電路2的輸出端口7連接，第二電平遷移電路15和整流電路1的輸出端口19連接，第一電平遷移電路14的輸出端和第二電平遷移電路15的輸出端分別與減法電路16的輸入端連接，減法電路16的輸出端與整形電路17的輸入端連接，整形電路17的輸出端與解碼電路18的輸入端連接，解碼電路18通過解調(diào)電路4的輸出端口8與RS觸發(fā)器的S端連接。其中，解調(diào)電路4通過對無線電磁耦合能量和控制信號進行電平變換濾波整形及解碼操作，從而解調(diào)出控制信號，傳送給控制電路5執(zhí)行。電平遷移電路14、15，可以用二極管串聯(lián)降壓或者用高通濾波器的方式實現(xiàn)。減法電路16可以用典型的差分電路或電壓差電路或其它有減法運算功能的電路代替實現(xiàn)。整形電路17可用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)。解碼電路18需要根據(jù)傳輸協(xié)議的編碼方式進行設(shè)計。本發(fā)明提供了一種簡潔的編碼方式，用連續(xù)N個脈沖作為關(guān)斷信號，用N進制脈沖計數(shù)器實現(xiàn)解碼，當解碼電路18接收到連續(xù)N個脈沖后，就產(chǎn)生一個脈沖信號傳遞給控制電路5。本發(fā)明還可以使用其它編碼方式如曼徹斯特編碼等和對應(yīng)的解調(diào)電路18來實現(xiàn)解調(diào)功能。所采用的無線供能能和控制信號可以由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生并經(jīng)過驅(qū)動電路(功率放大器如ClassE放大器)驅(qū)動體外線圈發(fā)射。如圖6所示，本發(fā)明的穩(wěn)壓電路2塊包括帶隙基準電路21、EA放大器EA1、輸出驅(qū)動管P3、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)FB1。穩(wěn)壓電路2的輸入端為整流電路l的輸出端口19、穩(wěn)壓電路2的輸出端口7、反饋電阻調(diào)節(jié)正端22、反饋電阻調(diào)節(jié)負端23。反饋電阻調(diào)節(jié)正端22、反饋電阻調(diào)節(jié)負端23之間可以連接電阻，通過改變阻值調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路2的輸出電壓值。整流電路1的輸出端口19連接帶隙基準電路21、EA放大器EA1、輸出驅(qū)動管P3。輸出驅(qū)動管P3的S端，即源端輸出連接反饋電阻網(wǎng)絡(luò)FB1。帶隙基準電路21的輸出端、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)FB1的輸出端和EA放大器EA1的同相輸入端相互連接。EA放大器EA1的輸出端連接輸出驅(qū)動管P3的G端，即柵端。EA放大器的反相輸入端連接反饋電阻網(wǎng)絡(luò)FB1。整流電路1輸出的整流后的射頻信號傳遞給穩(wěn)壓電路2。帶隙基準電路21產(chǎn)生標準參考信號，該標準參考信號不隨電源電壓變化，可給EA放大器做誤差運算用。EA放大器EA1，是誤差放大器，將跟蹤反饋電阻網(wǎng)絡(luò)FBI和帶隙基準電路21輸出的誤差，其輸出用于控制輸出驅(qū)動管P3的電壓。在反饋電阻調(diào)節(jié)正端22、反饋電阻調(diào)節(jié)負端23之間并聯(lián)電阻可調(diào)節(jié)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)FB1的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。綜上，本發(fā)明是一種專為無線經(jīng)皮供能設(shè)計的電源管理集成電路芯片，體積小適合植入，具有實現(xiàn)經(jīng)皮無線供能和備用電池相結(jié)合的供能、無線充電、無線控制開啟和關(guān)斷電源的功能。并且可以擴展作為無線通信裝置使用，將接收的無線控制信號解調(diào)還原成原始數(shù)字控制信號傳遞給植入器件。電路簡單有效，芯片面積利用率高。節(jié)省了植入器件的體積重量和成本。本發(fā)明芯片供能穩(wěn)定，控制過程簡單可靠，簡化了后端系統(tǒng)的電源管理設(shè)計。適用于各種微型化的植入式儀器。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，可以很容易地將本發(fā)明電源管理集成電路芯片應(yīng)用于各種無線供電及無線遙控場合，如非植入式的能量傳輸，如RFID、電子貨幣、自動售票、手持移動設(shè)備、工業(yè)應(yīng)用如胎壓監(jiān)測等物理上分離的系統(tǒng)。8權(quán)利要求1.一種無線控制的微型植入式無線供能電源管理集成電路芯片，其特征在于它包括接收天線、整流電路、穩(wěn)壓電路、解調(diào)電路、控制電路和開關(guān)電路，所述整流電路分別與接收天線、穩(wěn)壓電路和解調(diào)電路連接，所述穩(wěn)壓電路分別與解調(diào)電路的輸入端和開關(guān)電路連接，所述控制電路包括或門、與非門和RS觸發(fā)器，所述或門的輸出端和與非門的一個輸入端連接，所述RS觸發(fā)器的輸出端和與非門的另一個輸入端連接，所述穩(wěn)壓電路的輸出端口與或門的輸入端連接，所述RS觸發(fā)器的S端和解調(diào)電路的輸出端口連接，所述RS觸發(fā)器的R端和穩(wěn)壓電路的輸出端口連接，所述與非門的輸出端通過控制電路的輸出端口與開關(guān)電路連接，所述或門的輸入端和開關(guān)電路的輸出端口連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線控制的微型植入式無線供能電源管理集成電路芯片，其特征在于:它還包括電池，在所述穩(wěn)壓電路和開關(guān)電路之間還串聯(lián)有電池接口電路，所述電池接口電路包括限流二極管P1，該限流二極管P1的陽極與穩(wěn)壓電路的輸出端口連接，電池的輸出端口、開關(guān)電路的輸入端和限流二極管P1的陰極相互連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線控制的微型植入式無線供能電源管理集成電路芯片，其特征在于所述解調(diào)電路包括第一電平遷移電路、第二電平遷移電路、減法電路、整形電路、解碼電路，所述第一電平遷移電路與穩(wěn)壓電路的輸出端口連接，所述第二電平遷移電路和整流電路的輸出端口連接，第一電平遷移電路的輸出端和第二電平遷移電路的輸出端分別與減法電路的輸入端連接，所述減法電路的輸出端與整形電路的輸入端連接，所述整形電路的輸出端與解碼電路的輸入端連接，所述解碼電路通過解調(diào)電路的輸出端口與所述RS觸發(fā)器的S端連接。全文摘要本發(fā)明公開一種無線控制的微型植入式無線供能電源管理集成電路芯片，包括接收天線、整流電路、穩(wěn)壓電路、解調(diào)電路、控制電路和開關(guān)電路，整流電路分別與接收天線、穩(wěn)壓電路和解調(diào)電路連接，穩(wěn)壓電路分別與解調(diào)電路的輸入端和開關(guān)電路連接，控制電路包括或門、與非門和RS觸發(fā)器，或門的輸出端和與非門的一個輸入端連接，RS觸發(fā)器的輸出端和與非門的另一個輸入端連接，穩(wěn)壓電路的輸出端口與或門的輸入端連接，RS觸發(fā)器的S端和解調(diào)電路的輸出端口連接，RS觸發(fā)器的R端和穩(wěn)壓電路的輸出端口連接，與非門的輸出端通過控制電路的輸出端口與開關(guān)電路連接，或門的輸入端和開關(guān)電路的輸出端口連接。本發(fā)明減小植入器件的體積和功耗、延長壽命、降低成本。文檔編號A61B5/00GK101632576SQ20091010138公開日2010年1月27日申請日期2009年7月30日優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日發(fā)明者峰劉,葉學(xué)松,波梁,鵬王,葛文勛申請人:浙江大學(xué)