自主输出供应扩展技术：用于高效的多通道电刺激系统

多通道神经刺激电源优化设计。提出自主电压缩放架构，通过动态调整输出驱动电压消除传统合规监测电路的面积和功耗问题，在0.18μm CMOS工艺实现下，对30-95μA刺激电流和30-70kΩ负载阻抗均能保持80%以上效率，相比固定电压方案性能提升4.3倍，支持100μs宽脉冲间隔。

摘要：

用于视觉和体感假体的神经刺激设备的发展正在迅速推进，其中扩大刺激通道的数量对于提高治疗效果至关重要。为此，优化能效尤为关键，尤其是在无线供电系统中。尽管出于安全考虑，通常更倾向于使用电流模式刺激，但它往往会导致输出驱动器中的大量功率损耗。这一挑战在多通道配置中变得更加明显，因为各通道所需的负载电压会随时间和条件而不可预测地变化。合规性监测电路已被用来调节输出驱动器的电压供应，从而减少损耗并提高能效。然而，现有的实现方式会导致面积和功率开销的增加，同时缺乏快速适应动态负载条件的能力。本文提出了一种刺激器架构，能够实现每个通道的自主输出电压调节，在广泛的电流和阻抗范围内最小化功率损耗，而无需进行显式的合规性监测。在0.18微米 CMOS工艺中制造的双通道原型已经通过线性和电极进行了验证。所提出的策略在刺激电流为30千欧姆至95微安、负载阻抗从30千欧姆至70千欧姆的范围内，实现了超过80%的输出驱动器效率，与固定电压供电相比，性能提升了高达4.3倍。此外，该电路能够快速适应所需输出电压的变化，支持在100微秒的脉冲间隔内输出刺激脉冲，脉冲间隔仅为1微秒。这一特性允许在负载条件不同的电极之间进行时分复用，进一步探索后可以增加每个刺激通道服务的电极数量，从而提高性能...

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引言

可植入的神经调节设备已成为治疗神经系统疾病和推动视觉及体感假体等创新应用不可或缺的一部分[2]、[3]、[4]。这些应用需要大规模、多通道的刺激系统，能够驱动数百到数千个通道[5]、[6]、[7]。设计这些系统需要解决跨学科的挑战，包括系统级电子学[8]和高密度、生物相容性电极[9]的设计。