一款胶囊内窥镜电源管理单元的设计与实现

周丁华　姜汉钧　王月娟　吕晓娟　王志华

[摘 要] 目的：通过对电源管理单元的设计，实现为各模块提供稳定电压，减小芯片面积，延长产品工作时间。方法：基于0.18μm CMOS工艺，对LDO电路、电荷泵、振荡器模块与系统性能和能耗之间进行权衡设计。结果：电源管理单元采用PMOS LDO电路提高了系统稳定性，电荷泵设计为LED提供了稳定的驱动电压。结论：电源管理单元的设计满足胶囊内镜的使用要求，与国内外主流产品比较，产品体积缩小，工作时间延长。

[关键词] 胶囊内镜；电源管理；LDO电路；电荷泵

中图分类号：R445 R574 文献标识码：A 文章编号：2095-5200（2016）01-010-03

0 引言

无线胶囊内镜相较于传统胃镜具有便携式、无痛性等优点，具有较高应用价值和市场价值。本文设计无线胶囊内镜由两节1.5V氧化银电池（≤80mAh）供电，连续工作时间可达10h以上。为延长产品工作时间，系统主要采取三个措施：1）针对电路高层次与低层次低功耗设计；2）结合电池本身物理特性系统动态能量管理策略；3）“ 基于通信”能量管理策略，它是一种基于系统级通信结构调整各系统模块工作能量管理策略。本文主要介绍该系统电源管理单元研制。

由于胶囊内镜应用环境严格限制，胶囊内镜电量供应问题一直是胶囊内镜研究关键所在[1]。在电能有限条件下， 电源管理单元所要实现目标是将电池电压转换为各电路模块所需电源电压同时提高胶囊内镜能耗效率[2]， 以延长产品供电工作时间 。此外，在设计方面，考虑到胶囊内镜微型化特点，电源管理单元片外原件要尽可能少以节省PCB面积。

1 电源管理单元基本结构

片上集成电源转换电路主要由一个数字基带处理单元和电源管理单元构成，芯片采用0.18μm CMOS工艺。电源管理单元结构如图1所示，该电源转换电路不仅要为专用集成电路各功能模块提供不同电源电压，也要为胶囊内镜其他组件包括CMOS图像传感器（由2.5V LDO实现）、射频收发器（由1.8V LDO实现）和发光LED（由可编程电荷泵实现）等供电。振荡器为电荷泵提供时钟信号同时还为数字模块和图像传感器提供系统时钟信号，节约了芯片设计面积。

权衡考虑LDO与开关稳压器在电源转换率、系统片上面积、片外元件数等方面因素，本单元供电系统采用全LDO式结构。低压差稳压器LDO具有稳压性能好、低噪声、低纹波、响应快速、外围电路简单等优点[3]。

1.1 低压差稳压器（LDO）电路实现

低压差稳压器（LDO）用于将电池电压降至所需要电平上，给其他模块提供所需电源电压。本系统芯片内部集成了三个线性低压差稳压器（LDO_2p5， LDO_1p8，LDO_1p2）。

采用如图2所示PMOS LDO电路结构[4]，这个PMOS LDO由误差放大器、PMOS功率管、单位增益缓冲器、反馈网络和一个片外负载电容CL组成。PMOS功率管MP具有最小沟道长度和非常大宽长比使它能输出30mA负载电流。采用这种结构为了获得较高误差放大器增益，其输出阻抗也会很高，同时，该结构会导致功率管MP栅极分布电容很大。此分布电容引入极点频率很低，会影响电路频率响应、降低相位裕度。为减小此分布电容引入极点影响，在误差放大器和功率管MP之间引入了单位增益缓冲器。同时，单位增益缓冲器输出电阻很低，它将把分布电容产生极点推到很高频率上，以减小对电路频响、相位裕度影响，提高系统稳定性。

另外，图2所示电路还采用了Ahuja补偿方式[5]，

有别于经典Miller补偿。在Ahuja补偿中补偿电容Cc接在M4源极节点A，不同于经典Miller补偿中将补偿电容接在M4漏极。M4跨导被设计得很大使它源极可视为虚地。因此，所有通过反馈电容Cc交流小信号电流进入M4源极，从漏极流出。因节点A是低阻节点，其所产生极点将被推向更高频率，这有利于改善反馈环路相位裕度，使其在各种负载条件下都比较稳定。相比之下，在经典Miller补偿方式中，由于节点B是高阻节点，产生极点频率低，不利于系统稳定。

Ahuja补偿方式不仅有利于提高系统稳定性，也可以提高电路电源抑制比。在经典Miller补偿方式中，从电源进入噪声通过节点B可以直接影响到LDO输出；而Ahuja补偿方式不存在从电源到LDO输出低阻通路，因此大大提高了电源抑制比。此外，LDO电路只需要一个1μF0402 表面贴封装片外电容就可以保证在各种负载条件下保持稳定，满足胶囊内镜芯片对片外元件数目约束要求。

仿真结果显示，LDO开环直流增益大于80dB，相位裕度在各种负载和PVT变化条件下均不小于40°，在50kHz频率电源抑制比PSR高于70dB。LDO在负载电流0～30mA变化范围内都可以保持

稳定。

在实际测试中，3个 LDO输入电压为3V电池电压。负载电容均为片外0402表面贴封装陶瓷电容CL = 1μF，电容等效串联电阻ESR小于100 mΩ。三个负载电容都焊接在靠近芯片位置，以减小PCB互联线长度。其性能参数测试结果如表1所示。

1.2 电荷泵电路实现

本单元中电荷泵电路用于为图像采集闪光灯LED提供稳定驱动电压，驱动电压高于电源电压[6]。本设计使用0.18μm CMOS工艺条件下芯片最高工作电压为3.3V，而电荷泵电路节点B上电压会达到甚至超过4V。如果器件栅源或漏源电压超过4V，则器件使用寿命会明显缩短，但是考虑到胶囊内镜工作时间一般不超过24h，而且LED不是常亮[7]，电荷泵只有很短时间处在放电状态，对器件寿命要求不高。因此在这种特定应用场合下，在短时间内使器件承受过高电压是容许。电荷泵电路原理图如图3所示。

图3所示电荷泵电路主要由电压倍增电路和电压稳定电路两部分组成。电压倍增电路使用了两个片外电容Cfly和CL。在非交迭时钟控制下，开关M1～M4轮流对两个电容进行充电以实现电压倍增。其中，非交迭时钟信号产生是为了保证开关M1～M4在开启或关断转换状态下不会有瞬时短路电流产生。当时钟为高电平时，开关M1、M4打开，开关M2、M3关断，此时电容Cfly被充到VBAT。在时钟信号为低电平时，开关M1、M4关断，开关M2、M3打开，节点A电压接近VBAT。由于电容Cfly两端电压不能突变，使得节点B电压为两倍电池电压，即2VBAT，高于负载电容CL上电压。这样电容Cfly上电荷将被转移到负载电容CL上直至两个电容上电压相等。在不考虑开关损耗理想情况下，CL理论上最高可产生2VBAT电压。

电荷泵使用两个片外0402表面贴封装陶瓷电容，分别为0.1μF和1μF。通过设置校准寄存器，其输出电压范围为3.6～5.5V。稳定驱动电压不随电池电压变化使发光LED可以保持稳定照明强度。电荷泵设计要满足高效率、低功耗以及片外元件少要求。

当输出电压为4V时，测得电荷泵各项性能指标如表2所示。

电荷泵输出电压建立时间为400μs。电荷泵输出电压建立也说明了片上时钟振荡器能正常工作，为电荷泵提供所需时钟信号。在这个启动过程中电荷泵处于低速模式，使用20kHz时钟信号。

2 结果

该胶囊内镜所实现芯片采用0.18μm 1P6M CMOS工艺制成，芯片面积3.7mm×3.6mm。芯片显微照片如图4所示。

该芯片组装后样机直径11mm，长度可缩短至24mm。在样机完整测试过程中，其持续工作时间可达14h以上。相比较于国内外主流产品，本产品在产品体积及工作时间方面都有明显进步。

3 结论

胶囊内镜中电源管理单元设计基于0.18μm CMOS工艺，通过LDO电路、电荷泵、振荡器模块与系统性能和能耗间权衡设计，在胶囊内镜使用条件下实现了为各模块提供稳定电压、为不同模块供电、节约设计面积等设计目的。测试结果显示，电源管理单元设计满足胶囊内镜使用要求。

参 考 文 献

[1] 王志华，张哓昱，张凌伟，等. 集成电路技术在医疗健康领域应用[J]. 中国集成电路， 2010， 19（3）：12-23.

[2] 赵霞，陈向群，郭耀，等.操作系统电源管理研究进展[J].计算机研究与发展， 2008， 45（5）：817-824.

[3] 冯筱佳. 浅谈低压差线性稳压器[J]. 才智， 2012（22）：47.

[4] 沙占友. 低压差线性稳压器实用设计系列讲座之一低压差线性稳压器设计要点[J]. 电源技术应用，2008，11（5）：60-64.

[5] AHUJA BK. An improved frequency compensation technique for CMOS operational amplifiers[J]. IEEE J Solid-State Circuits，1983，18（6）：629.

[6] 楚薇. 低压CMOS电荷泵设计及应用[D].合肥：合肥工业大学，2004.

[7] 刘刚，颜国正，刘华. 间歇工作图像胶囊内窥镜设计与实验[J]. 光学精密工程，2012，20（10）：2192-2199.