心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，特别是一种心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路。

背景技术

随着集成电路技术和生物医疗技术的快速发展，与生物医学相结合的集成电路技术应用越来越广泛，其中心脏起搏器是微电子和生物医电结合的一个典型实例。起搏脉冲产生电路是心脏起搏器实现起搏功能的核心电路，它能在系统的控制下根据不同病患的需要，产生刺激幅值和刺激脉宽可编程的脉冲信号。

心脏起搏器中的起搏脉冲产生电路包含多个MOS开关和电容，通过特定的时序使电池通过心脏对电容进行倍压充电，并在一个极短的时间间隔内放电，从而产生需要的起搏脉冲。心脏起搏器是植入式医疗设备，尺寸小，电池仅仅能提供较低的供电电压(＜3V)。但是，根据患者的不同症状，心脏起搏器产生的脉冲幅值最高时需接近8V。因此，起搏脉冲电路需要设计能产生三倍于电源电压(VDD)的电荷泵，以及能在高压环境下长时间可靠工作的开关，才能使起搏脉冲产生电路满足不同患者的使用要求。目前已有的绝大多数起搏器采用3种倍压模式的方案，分别为单倍压、二倍压和三倍压，对应的刺激电压范围分别为0～VDD、VDD～2×VDD、2×VDD～3×VDD。在各个倍压模式下，再设置多个等间隔的脉冲幅值档位，就可以产生幅值覆盖0～3×VDD起搏脉冲信号。同时，心脏起搏器一经植入往往要在患者体内工作五到十年，这要求脉冲产生电路功耗低、可靠性高。

现有的心脏起搏电路的起搏开关通常为单一NMOS开关，这种开关的缺点是需要一个比漏源电压更高的栅压才能导通，且在导通高电压时导通电阻会由于V

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路，具有成本低、开关导通电阻小、可靠性高的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路包括：

辅助电荷泵，其根据系统的倍压模式自适应地产生主电荷泵和起搏开关所需的开关控制电压，所述辅助电荷泵包括MOS管和电容，以在两相不交叠时钟的控制下产生最高为3×VDD的电压；

主电荷泵，其充电片外电容C

起搏开关，其连接所述主电荷泵和心脏，所述起搏开关包括根据不同的倍压模式自适应地改变开关的控制电压的MOS开关。

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路中，所述两相不交叠时钟连接接收MCU指令的倍压模式控制模块。

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路中，所述倍压模式自适应起搏脉冲产生电路还包括连接主电荷泵的幅值检测模块，其检测到片外电容C

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路中，所述辅助电荷泵包括多个使电压抬升VDD的升压模块，所述辅助电荷泵通过改变倍压模式，控制二选一电路、开关S

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路中，当在单倍压模式下，开关S

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路中，主电荷泵在单倍压模式下，M

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路中，所述PMOS开关在单倍压或二倍压模式下，栅极接最低压GND导通同时关断时栅极接局部最高压HVDD。

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路中，起搏开关还包括辅助导通的NMOS开关，导通电压降低时，NMOS开关自动开启协助导通，降低复合开关的导通电阻。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的辅助电荷泵是系统的辅助高压产生模块，能够根据系统的倍压模式自适应地产生主电荷泵和起搏开关所需的开关控制电压。它由MOS管和电容组成，可以在两相不交叠时钟的控制下产生最高为3×VDD的电压，用于间接产生相应主电荷泵和起搏开关中PMOS开关的关断电压。主电荷泵负责片外电容C

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

所有附图中，灰色部分表示相应状态下不工作的电路。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的结构示意图；

图2(a)至图2(d)是根据本发明一个实施例的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的辅助电荷泵电路示意图，其中，辅助电荷泵的电路图如图2(a)，在单倍压模式下的时候，辅助电荷泵的工作状态如图2(b)，二倍压模式的辅助电荷泵工作状态为图2(c)，图2(d)是三倍压模式的辅助电荷泵工作状态图；

图3(a)至图3(d)是根据本发明一个实施例的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的主电荷泵电路示意图，其中，主电荷泵的电路图如图3(a)，图3(b)为单倍压模式下主电荷泵的工作状态图；图3(c)为二倍压模式下的工作状态图，图3(d)为三倍压模式下主电荷泵的工作状态图；

图4(a)至图4(b)是根据本发明一个实施例的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的起搏开关电路示意图，其中，图4(a)单倍压或二倍压模式下起搏开关工作状态示意图，图4(b)三倍压模式下起搏开关工作状态示意图；

图5是根据本发明一个实施例的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的单倍压模式下的仿真结果示意图；

图6是根据本发明一个实施例的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的二倍压模式下的仿真结果示意图；

图7是根据本发明一个实施例的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的三倍压模式下的仿真结果示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图7更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图7所示，心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路包括：

辅助电荷泵，其根据系统的倍压模式自适应地产生主电荷泵和起搏开关所需的开关控制电压，所述辅助电荷泵包括MOS管和电容，以在两相不交叠时钟的控制下产生最高为3×VDD的电压；

主电荷泵，其充电片外电容C

起搏开关，其连接所述主电荷泵和心脏，所述起搏开关包括根据不同的倍压模式自适应地改变开关的控制电压的MOS开关。

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的优选实施例中，所述两相不交叠时钟连接接收MCU指令的倍压模式控制模块。

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的优选实施例中，所述倍压模式自适应起搏脉冲产生电路还包括连接主电荷泵的幅值检测模块，其检测到片外电容C

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的优选实施例中，所述辅助电荷泵包括多个使电压抬升VDD的升压模块，所述辅助电荷泵通过改变倍压模式，控制二选一电路、开关S

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的优选实施例中，当在单倍压模式下，开关S

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的优选实施例中，主电荷泵在单倍压模式下，M

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的优选实施例中，所述PMOS开关在单倍压或二倍压模式下，栅极接最低压GND导通同时关断时栅极接局部最高压HVDD。

所述的心脏起搏器的倍压模式自适应起搏脉冲产生电路的优选实施例中，起搏开关还包括辅助导通的NMOS开关，导通电压降低时，NMOS开关自动开启协助导通，降低复合开关的导通电阻。

在一个实施例中，倍压模式自适应的脉冲产生电路整体结构如图1所示，包含3个主要部分，分别是辅助电荷泵、主电荷泵和起搏开关。辅助电荷泵负责给整个起搏脉冲产生电路产生开关通断所需的辅助高电压；主电荷泵负责经过心脏给片外电容C

辅助电荷泵的电路图如图2(a)所示，每个升压模块都能使电压抬升VDD，系统通过改变倍压模式，控制最左边的二选一电路、中间的开关以及时钟，从而控制两个升压模块的工作状态，改变辅助电荷泵的输出电压HVDD。

当系统工作在单倍压模式下的时候，辅助电荷泵的工作状态如图2(b)所示。左半边电路完全停止工作，而开关S

主电荷泵的电路图如图3(a)所示，由开关晶体管和两个片外电容构成。其工作的基本原理是电容两端的电压差不会突变，具体工作过程如下：

图3(b)为单倍压模式下主电荷泵的工作状态图。此时，除了右上方的M

由于心脏本身电阻较小，极端情况下仅有500Ω，所以为了保证刺激电压主要作用在心脏上，需要尽可能减小开关的导通电阻，一方面要求开关MOS的尺寸要足够大，另一方面要求栅源电压差V

为了保证主电荷泵以及起搏开关的可靠工作，本发明还提供了复合开关的实现方法，用来实现一个开关的功能。本发明复合开关电路如图4(a)至图4(b)所示，开关的主体是M

三倍压模式下，这种PMOS开关容易导通的优点充分得到体现，只要栅极电压较低，高电压就能顺利通过开关，并且越高的电压下，由于V

图5、图6、图7三图为电源电压设为2.8V、心脏电阻设为500Ω时，三种倍压模式的仿真结果。图5为起搏电压分别设置为1V、2V时的仿真结果，对应倍压模式为单倍压的情况。仿真得到的起搏脉冲幅值分别为925mV、1.815V，相对误差为7.75％、9.25％，满足误差要求。此时HVDD比理想的2.8V低，这是由于辅助电荷泵的驱动能力有限，在电路开始工作时HVDD需要驱动很多大尺寸的开关晶体管，本质上是电容之间的电荷分享，HVDD降低在所难免。不过HVDD的作用在于关断开关晶体管，即使稍低于理想值，也不会影响电路正常工作。充电阶段电压的波动是系统闭环控制下，主电荷泵对电容周期性充电的结果，这种起搏模式使得充电和放电电流都流经心脏，确保心肌细胞电荷平衡，长时间使用也不会对心肌造成损伤。图6为起搏电压分别设置为4V、5V时的仿真结果，对应倍压模式为二倍压的情况。仿真结果分别为3.803V、4.81V，相对误差为4.93％、3.8％，相比于单倍压模式下误差缩小，PMOS开关导通电阻随导通电压升高而减小的优点得到体现。图7为起搏电压分别设置为6V、7V和8.4V时的仿真结果，对应倍压模式为三倍压的情况。仿真结果分别为5.7V、6.694V和7.862V，相对误差为5％、4.43％和6.4％，满足误差要求，同时最高起搏电压也满足心脏起搏器的指标要求。

以上以PMOS为主体的开关和相配套的电荷泵仅用于说明本发明的技术方案，只是本发明所述的倍压模式自适应的起搏脉冲产生电路的其中一种实现方式，在形式和细节上对其作出各种改变而实现相同功能电路，也属于本发明权利所保护的内容。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。