植入式医疗电子设备的高能效无线收发机芯片关键技术研究

The implantable medical device (IMD) is the major trend of medical instrument in the future. There is great application need and potential market for implantable medical devices. The main bottleneck for implantable medical devices is the constraint by the power supply and the system power consumption, which finally limits the miniaturization of IMDs. This proposal focuses on the high power-efficiency short-range transceiver IC targeted for the implantable medical devices. The research work will be carried out from three aspects: 1) to propose the transceiver architecture with high data rate, low peak power consumption and low average power consumption, which can reduce the average power consumption by order of magnitude; 3) to explore a power management strategy which dynamically mange the transceiver duty cycle and the work modes DC-DC converters, which can be used to improve the IMC power efficiency with different types of power supplies, such as button batteries, wireless energy transfer and environment energy collection; 3) to design an adaptive impedance matching method for the transceiver antenna, which can provide an improved the antenna efficiency inside the human bodies. With this research work, the power efficiency of the wireless transceiver for implantable medical devices will be improved by order of magnitude, which will greatly help the development of implantable medical devices in the future.

植入式医疗电子设备代表医疗器械的未来发展方向，应用需求巨大，市场潜力极大。微型化需求与电源体积、系统功耗之间的矛盾是植入式医疗电子设备主要发展瓶颈。短距离无线收发机是植入式医疗电子设备最主要的能量消耗电路。本项目瞄准用于植入式医疗电子设备的高能效短距离无线收发机芯片，就三个方面开展工作：(1)研究一种高码率、低峰值功耗、低平均能耗的植入式医疗电子设备无线收发机结构，将收发机的平均能耗降低一个数量级；(2) 设计一种在微型电池供电、环境微能量转换、实时无线能量传输等供电方式下均能有效工作的电源管理策略，通过收发机占空比和电源转换电路的协同配合，有效降低收发机的实际峰值能耗；(3)为植入式设备的无线收发机设计一种环境自适应的天线阻抗自动匹配电路结构，提高收发机通信信息交换的能量效率。项目的实施，可将植入式医疗电子设备无线收发机的能效提升一个新台阶，为植入式医疗电子设备进一步发展提供支撑。

植入式医疗电子设备代表医疗器械的未来发展方向，应用需求巨大。微型化需求与电源体积、系统功耗之间的矛盾是植入式医疗电子设备主要发展瓶颈。短距离无线收发机是植入式医疗电子设备最主要的能量消耗电路。本项目研究用于植入式医疗电子设备的高能效短距离无线收发机芯片设计技术。. 基于相位选择结构和正交下变频结构设计实现了400MHz频段10Mbps收发机芯片，发射机和接收机连续工作功耗均为3mW，平均能耗为~0.3nJ/bit。与文献中类似频段的短距离收发机芯片相比具有最低的平均能耗。提出了1bit DSM结构的发射机结构，省去了数模转换器、低通滤波器和混频器等模块，显著降低了芯片功耗，采用180nm CMOS工艺设计实现了该发射机，发射20Mbps的64QAM信号时，芯片消耗功耗仅为2.37mW，是2.4GHz频段平均能耗最低的发射机芯片之一。提出了改进的边带合成发射机结构，采用180nm CMOS工艺实现，仿真表明发射50Mbps MSK信号的功耗为0.47mW，发射100Mbps MSK信号的功耗为2.59mW，该结构发射机平均能耗最低为9.4pJ/bit，优于文献中最好水平。. 针对单芯片集成，设计了可与植入式医疗电子设备专用无线芯片集成的单电感双输出（SIDO）电源转换器结构，提出了采用伪连续导通模式控制续流时间和续流电流，使转换器能够同时兼顾输出功率和效率。提出了由射频幅度检测电路、模数转换器和数字控制单元构成的环境自适应天线匹配电路。这些辅助电路技术可以有效提升无线收发机芯片的整体能量效率。. 基于上述低功耗无线收发机技术，研究实现了植入式颅内压连续监测装置、植入式心电监测装置、膝关节置换术辅助测量装置等微型医疗器械装置，具有功耗低、体积小、电池寿命长等特点。. 发表SCI或EI检索论文19篇，其中SCI检索期刊论文8篇，EI检索国际会议论文11篇。申请了5项发明专利，其中2项已经取得授权。