一款膠囊內(nèi)窺鏡電源管理單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)為各模塊提供穩(wěn)定電壓，減小芯片面積，延長產(chǎn)品工作時(shí)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(tǒng)性能和能耗之間進(jìn)行權(quán)衡設(shè)計(jì)。結(jié)果：電源管理單元采用PMOS LDO電路提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，電荷泵設(shè)計(jì)為LED提供了穩(wěn)定的驅(qū)動電壓。結(jié)論：電源管理單元的設(shè)計(jì)滿足膠囊內(nèi)鏡的使用要求，與國內(nèi)外主流產(chǎn)品比較，產(chǎn)品體積縮小，工作時(shí)間延長。

[關(guān)鍵詞] 膠囊內(nèi)鏡；電源管理；LDO電路；電荷泵

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

0 引言

無線膠囊內(nèi)鏡相較于傳統(tǒng)胃鏡具有便攜式、無痛性等優(yōu)點(diǎn)，具有較高應(yīng)用價(jià)值和市場價(jià)值。本文設(shè)計(jì)無線膠囊內(nèi)鏡由兩節(jié)1.5V氧化銀電池（≤80mAh）供電，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)10h以上。為延長產(chǎn)品工作時(shí)間，系統(tǒng)主要采取三個(gè)措施：1）針對電路高層次與低層次低功耗設(shè)計(jì)；2）結(jié)合電池本身物理特性系統(tǒng)動態(tài)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(tǒng)級通信結(jié)構(gòu)調(diào)整各系統(tǒng)模塊工作能量管理策略。本文主要介紹該系統(tǒng)電源管理單元研制。

由于膠囊內(nèi)鏡應(yīng)用環(huán)境嚴(yán)格限制，膠囊內(nèi)鏡電量供應(yīng)問題一直是膠囊內(nèi)鏡研究關(guān)鍵所在[1]。在電能有限條件下， 電源管理單元所要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是將電池電壓轉(zhuǎn)換為各電路模塊所需電源電壓同時(shí)提高膠囊內(nèi)鏡能耗效率[2]， 以延長產(chǎn)品供電工作時(shí)間 。此外，在設(shè)計(jì)方面，考慮到膠囊內(nèi)鏡微型化特點(diǎn)，電源管理單元片外原件要盡可能少以節(jié)省PCB面積。

1 電源管理單元基本結(jié)構(gòu)

片上集成電源轉(zhuǎn)換電路主要由一個(gè)數(shù)字基帶處理單元和電源管理單元構(gòu)成，芯片采用0.18μm CMOS工藝。電源管理單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電源轉(zhuǎn)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(nèi)鏡其他組件包括CMOS圖像傳感器（由2.5V LDO實(shí)現(xiàn)）、射頻收發(fā)器（由1.8V LDO實(shí)現(xiàn)）和發(fā)光LED（由可編程電荷泵實(shí)現(xiàn)）等供電。振蕩器為電荷泵提供時(shí)鐘信號同時(shí)還為數(shù)字模塊和圖像傳感器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號，節(jié)約了芯片設(shè)計(jì)面積。

權(quán)衡考慮LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器在電源轉(zhuǎn)換率、系統(tǒng)片上面積、片外元件數(shù)等方面因素，本單元供電系統(tǒng)采用全LDO式結(jié)構(gòu)。低壓差穩(wěn)壓器LDO具有穩(wěn)壓性能好、低噪聲、低紋波、響應(yīng)快速、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1.1 低壓差穩(wěn)壓器（LDO）電路實(shí)現(xiàn)

低壓差穩(wěn)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(tǒng)芯片內(nèi)部集成了三個(gè)線性低壓差穩(wěn)壓器（LDO_2p5， LDO_1p8，LDO_1p2）。

采用如圖2所示PMOS LDO電路結(jié)構(gòu)[4]，這個(gè)PMOS LDO由誤差放大器、PMOS功率管、單位增益緩沖器、反饋網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)片外負(fù)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(fù)載電流。采用這種結(jié)構(gòu)為了獲得較高誤差放大器增益，其輸出阻抗也會很高，同時(shí)，該結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致功率管MP柵極分布電容很大。此分布電容引入極點(diǎn)頻率很低，會影響電路頻率響應(yīng)、降低相位裕度。為減小此分布電容引入極點(diǎn)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(shí)，單位增益緩沖器輸出電阻很低，它將把分布電容產(chǎn)生極點(diǎn)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(tǒng)穩(wěn)定性。

另外，圖2所示電路還采用了Ahuja補(bǔ)償方式[5]，

有別于經(jīng)典Miller補(bǔ)償。在Ahuja補(bǔ)償中補(bǔ)償電容Cc接在M4源極節(jié)點(diǎn)A，不同于經(jīng)典Miller補(bǔ)償中將補(bǔ)償電容接在M4漏極。M4跨導(dǎo)被設(shè)計(jì)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(jìn)入M4源極，從漏極流出。因節(jié)點(diǎn)A是低阻節(jié)點(diǎn)，其所產(chǎn)生極點(diǎn)將被推向更高頻率，這有利于改善反饋環(huán)路相位裕度，使其在各種負(fù)載條件下都比較穩(wěn)定。相比之下，在經(jīng)典Miller補(bǔ)償方式中，由于節(jié)點(diǎn)B是高阻節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生極點(diǎn)頻率低，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

Ahuja補(bǔ)償方式不僅有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，也可以提高電路電源抑制比。在經(jīng)典Miller補(bǔ)償方式中，從電源進(jìn)入噪聲通過節(jié)點(diǎn)B可以直接影響到LDO輸出；而Ahuja補(bǔ)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(gè)1μF0402 表面貼封裝片外電容就可以保證在各種負(fù)載條件下保持穩(wěn)定，滿足膠囊內(nèi)鏡芯片對片外元件數(shù)目約束要求。

仿真結(jié)果顯示，LDO開環(huán)直流增益大于80dB，相位裕度在各種負(fù)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(fù)載電流0～30mA變化范圍內(nèi)都可以保持

穩(wěn)定。

在實(shí)際測試中，3個(gè) LDO輸入電壓為3V電池電壓。負(fù)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(lián)電阻ESR小于100 mΩ。三個(gè)負(fù)載電容都焊接在靠近芯片位置，以減小PCB互聯(lián)線長度。其性能參數(shù)測試結(jié)果如表1所示。

1.2 電荷泵電路實(shí)現(xiàn)

本單元中電荷泵電路用于為圖像采集閃光燈LED提供穩(wěn)定驅(qū)動電壓，驅(qū)動電壓高于電源電壓[6]。本設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)B上電壓會達(dá)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(nèi)鏡工作時(shí)間一般不超過24h，而且LED不是常亮[7]，電荷泵只有很短時(shí)間處在放電狀態(tài)，對器件壽命要求不高。因此在這種特定應(yīng)用場合下，在短時(shí)間內(nèi)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(wěn)定電路兩部分組成。電壓倍增電路使用了兩個(gè)片外電容Cfly和CL。在非交迭時(shí)鐘控制下，開關(guān)M1～M4輪流對兩個(gè)電容進(jìn)行充電以實(shí)現(xiàn)電壓倍增。其中，非交迭時(shí)鐘信號產(chǎn)生是為了保證開關(guān)M1～M4在開啟或關(guān)斷轉(zhuǎn)換狀態(tài)下不會有瞬時(shí)短路電流產(chǎn)生。當(dāng)時(shí)鐘為高電平時(shí)，開關(guān)M1、M4打開，開關(guān)M2、M3關(guān)斷，此時(shí)電容Cfly被充到VBAT。在時(shí)鐘信號為低電平時(shí)，開關(guān)M1、M4關(guān)斷，開關(guān)M2、M3打開，節(jié)點(diǎn)A電壓接近VBAT。由于電容Cfly兩端電壓不能突變，使得節(jié)點(diǎn)B電壓為兩倍電池電壓，即2VBAT，高于負(fù)載電容CL上電壓。這樣電容Cfly上電荷將被轉(zhuǎn)移到負(fù)載電容CL上直至兩個(gè)電容上電壓相等。在不考慮開關(guān)損耗理想情況下，CL理論上最高可產(chǎn)生2VBAT電壓。

電荷泵使用兩個(gè)片外0402表面貼封裝陶瓷電容，分別為0.1μF和1μF。通過設(shè)置校準(zhǔn)寄存器，其輸出電壓范圍為3.6～5.5V。穩(wěn)定驅(qū)動電壓不隨電池電壓變化使發(fā)光LED可以保持穩(wěn)定照明強(qiáng)度。電荷泵設(shè)計(jì)要滿足高效率、低功耗以及片外元件少要求。

當(dāng)輸出電壓為4V時(shí)，測得電荷泵各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示。

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

2 結(jié)果

該膠囊內(nèi)鏡所實(shí)現(xiàn)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(jī)直徑11mm，長度可縮短至24mm。在樣機(jī)完整測試過程中，其持續(xù)工作時(shí)間可達(dá)14h以上。相比較于國內(nèi)外主流產(chǎn)品，本產(chǎn)品在產(chǎn)品體積及工作時(shí)間方面都有明顯進(jìn)步。

3 結(jié)論

膠囊內(nèi)鏡中電源管理單元設(shè)計(jì)基于0.18μm CMOS工藝，通過LDO電路、電荷泵、振蕩器模塊與系統(tǒng)性能和能耗間權(quán)衡設(shè)計(jì)，在膠囊內(nèi)鏡使用條件下實(shí)現(xiàn)了為各模塊提供穩(wěn)定電壓、為不同模塊供電、節(jié)約設(shè)計(jì)面積等設(shè)計(jì)目的。測試結(jié)果顯示，電源管理單元設(shè)計(jì)滿足膠囊內(nèi)鏡使用要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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