一款膠囊內窺鏡電源管理單元的設計與實現

周丁華　姜漢鈞　王月娟　呂曉娟　王志華

[摘 要] 目的：通過對電源管理單元的設計，實現為各模塊提供穩定電壓，減小芯片面積，延長產品工作時間。方法：基于0.18μm CMOS工藝，對LDO電路、電荷泵、振蕩器模塊與系統性能和能耗之間進行權衡設計。結果：電源管理單元采用PMOS LDO電路提高了系統穩定性，電荷泵設計為LED提供了穩定的驅動電壓。結論：電源管理單元的設計滿足膠囊內鏡的使用要求，與國內外主流產品比較，產品體積縮小，工作時間延長。

[關鍵詞] 膠囊內鏡；電源管理；LDO電路；電荷泵

中圖分類號：R445 R574 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5200（2016）01-010-03

0 引言

無線膠囊內鏡相較于傳統胃鏡具有便攜式、無痛性等優點，具有較高應用價值和市場價值。本文設計無線膠囊內鏡由兩節1.5V氧化銀電池（≤80mAh）供電，連續工作時間可達10h以上。為延長產品工作時間，系統主要采取三個措施：1）針對電路高層次與低層次低功耗設計；2）結合電池本身物理特性系統動態能量管理策略；3）“ 基于通信”能量管理策略，它是一種基于系統級通信結構調整各系統模塊工作能量管理策略。本文主要介紹該系統電源管理單元研制。

由于膠囊內鏡應用環境嚴格限制，膠囊內鏡電量供應問題一直是膠囊內鏡研究關鍵所在[1]。在電能有限條件下， 電源管理單元所要實現目標是將電池電壓轉換為各電路模塊所需電源電壓同時提高膠囊內鏡能耗效率[2]， 以延長產品供電工作時間 。此外，在設計方面，考慮到膠囊內鏡微型化特點，電源管理單元片外原件要盡可能少以節省PCB面積。

1 電源管理單元基本結構

片上集成電源轉換電路主要由一個數字基帶處理單元和電源管理單元構成，芯片采用0.18μm CMOS工藝。電源管理單元結構如圖1所示，該電源轉換電路不僅要為專用集成電路各功能模塊提供不同電源電壓，也要為膠囊內鏡其他組件包括CMOS圖像傳感器（由2.5V LDO實現）、射頻收發器（由1.8V LDO實現）和發光LED（由可編程電荷泵實現）等供電。振蕩器為電荷泵提供時鐘信號同時還為數字模塊和圖像傳感器提供系統時鐘信號，節約了芯片設計面積。

權衡考慮LDO與開關穩壓器在電源轉換率、系統片上面積、片外元件數等方面因素，本單元供電系統采用全LDO式結構。低壓差穩壓器LDO具有穩壓性能好、低噪聲、低紋波、響應快速、外圍電路簡單等優點[3]。

1.1 低壓差穩壓器（LDO）電路實現

低壓差穩壓器（LDO）用于將電池電壓降至所需要電平上，給其他模塊提供所需電源電壓。本系統芯片內部集成了三個線性低壓差穩壓器（LDO_2p5， LDO_1p8，LDO_1p2）。

采用如圖2所示PMOS LDO電路結構[4]，這個PMOS LDO由誤差放大器、PMOS功率管、單位增益緩沖器、反饋網絡和一個片外負載電容CL組成。PMOS功率管MP具有最小溝道長度和非常大寬長比使它能輸出30mA負載電流。采用這種結構為了獲得較高誤差放大器增益，其輸出阻抗也會很高，同時，該結構會導致功率管MP柵極分布電容很大。此分布電容引入極點頻率很低，會影響電路頻率響應、降低相位裕度。為減小此分布電容引入極點影響，在誤差放大器和功率管MP之間引入了單位增益緩沖器。同時，單位增益緩沖器輸出電阻很低，它將把分布電容產生極點推到很高頻率上，以減小對電路頻響、相位裕度影響，提高系統穩定性。

另外，圖2所示電路還采用了Ahuja補償方式[5]，

有別于經典Miller補償。在Ahuja補償中補償電容Cc接在M4源極節點A，不同于經典Miller補償中將補償電容接在M4漏極。M4跨導被設計得很大使它源極可視為虛地。因此，所有通過反饋電容Cc交流小信號電流進入M4源極，從漏極流出。因節點A是低阻節點，其所產生極點將被推向更高頻率，這有利于改善反饋環路相位裕度，使其在各種負載條件下都比較穩定。相比之下，在經典Miller補償方式中，由于節點B是高阻節點，產生極點頻率低，不利于系統穩定。

Ahuja補償方式不僅有利于提高系統穩定性，也可以提高電路電源抑制比。在經典Miller補償方式中，從電源進入噪聲通過節點B可以直接影響到LDO輸出；而Ahuja補償方式不存在從電源到LDO輸出低阻通路，因此大大提高了電源抑制比。此外，LDO電路只需要一個1μF0402 表面貼封裝片外電容就可以保證在各種負載條件下保持穩定，滿足膠囊內鏡芯片對片外元件數目約束要求。

仿真結果顯示，LDO開環直流增益大于80dB，相位裕度在各種負載和PVT變化條件下均不小于40°，在50kHz頻率電源抑制比PSR高于70dB。LDO在負載電流0～30mA變化范圍內都可以保持

穩定。

在實際測試中，3個 LDO輸入電壓為3V電池電壓。負載電容均為片外0402表面貼封裝陶瓷電容CL = 1μF，電容等效串聯電阻ESR小于100 mΩ。三個負載電容都焊接在靠近芯片位置，以減小PCB互聯線長度。其性能參數測試結果如表1所示。

1.2 電荷泵電路實現

本單元中電荷泵電路用于為圖像采集閃光燈LED提供穩定驅動電壓，驅動電壓高于電源電壓[6]。本設計使用0.18μm CMOS工藝條件下芯片最高工作電壓為3.3V，而電荷泵電路節點B上電壓會達到甚至超過4V。如果器件柵源或漏源電壓超過4V，則器件使用壽命會明顯縮短，但是考慮到膠囊內鏡工作時間一般不超過24h，而且LED不是常亮[7]，電荷泵只有很短時間處在放電狀態，對器件壽命要求不高。因此在這種特定應用場合下，在短時間內使器件承受過高電壓是容許。電荷泵電路原理圖如圖3所示。

圖3所示電荷泵電路主要由電壓倍增電路和電壓穩定電路兩部分組成。電壓倍增電路使用了兩個片外電容Cfly和CL。在非交迭時鐘控制下，開關M1～M4輪流對兩個電容進行充電以實現電壓倍增。其中，非交迭時鐘信號產生是為了保證開關M1～M4在開啟或關斷轉換狀態下不會有瞬時短路電流產生。當時鐘為高電平時，開關M1、M4打開，開關M2、M3關斷，此時電容Cfly被充到VBAT。在時鐘信號為低電平時，開關M1、M4關斷，開關M2、M3打開，節點A電壓接近VBAT。由于電容Cfly兩端電壓不能突變，使得節點B電壓為兩倍電池電壓，即2VBAT，高于負載電容CL上電壓。這樣電容Cfly上電荷將被轉移到負載電容CL上直至兩個電容上電壓相等。在不考慮開關損耗理想情況下，CL理論上最高可產生2VBAT電壓。

電荷泵使用兩個片外0402表面貼封裝陶瓷電容，分別為0.1μF和1μF。通過設置校準寄存器，其輸出電壓范圍為3.6～5.5V。穩定驅動電壓不隨電池電壓變化使發光LED可以保持穩定照明強度。電荷泵設計要滿足高效率、低功耗以及片外元件少要求。

當輸出電壓為4V時，測得電荷泵各項性能指標如表2所示。

電荷泵輸出電壓建立時間為400μs。電荷泵輸出電壓建立也說明了片上時鐘振蕩器能正常工作，為電荷泵提供所需時鐘信號。在這個啟動過程中電荷泵處于低速模式，使用20kHz時鐘信號。

2 結果

該膠囊內鏡所實現芯片采用0.18μm 1P6M CMOS工藝制成，芯片面積3.7mm×3.6mm。芯片顯微照片如圖4所示。

該芯片組裝后樣機直徑11mm，長度可縮短至24mm。在樣機完整測試過程中，其持續工作時間可達14h以上。相比較于國內外主流產品，本產品在產品體積及工作時間方面都有明顯進步。

3 結論

膠囊內鏡中電源管理單元設計基于0.18μm CMOS工藝，通過LDO電路、電荷泵、振蕩器模塊與系統性能和能耗間權衡設計，在膠囊內鏡使用條件下實現了為各模塊提供穩定電壓、為不同模塊供電、節約設計面積等設計目的。測試結果顯示，電源管理單元設計滿足膠囊內鏡使用要求。

參 考 文 獻

[1] 王志華，張嘵昱，張凌偉，等. 集成電路技術在醫療健康領域應用[J]. 中國集成電路， 2010， 19（3）：12-23.

[2] 趙霞，陳向群，郭耀，等.操作系統電源管理研究進展[J].計算機研究與發展， 2008， 45（5）：817-824.

[3] 馮筱佳. 淺談低壓差線性穩壓器[J]. 才智， 2012（22）：47.

[4] 沙占友. 低壓差線性穩壓器實用設計系列講座之一低壓差線性穩壓器設計要點[J]. 電源技術應用，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. 低壓CMOS電荷泵設計及應用[D].合肥：合肥工業大學，2004.

[7] 劉剛，顏國正，劉華. 間歇工作圖像膠囊內窺鏡設計與實驗[J]. 光學精密工程，2012，20（10）：2192-2199.