在精密控制领域，分数阶控制器 (如PIλDμ) 因其独特的非整数阶积分与微分特性，能够灵活调节系统相位裕度与动态响应，显著优于传统整数阶控制器。然而，现有实现方案依赖复杂的RC网络或高阶近似模型，导致电路复杂度高、功耗大，限制了其在植入式医疗设备 (如心脏起搏器) 中的应用。心脏起搏器作为治疗心律失常的关键设备，需在极低功耗下实现高精度心率控制。传统控制方案难以兼顾动态性能与硬件成本，亟需一种新型控制器设计方法。来自希腊帕特雷大学的Costas Psychalinos教授团队，在Journal of Low Power Electronics and Applications (JLPEA) 上发表了一篇题为“Minimum Active Component Count Design of a PIλDμ Controller and Its Application in a Cardiac Pacemaker System”的研究论文，提出了一种极简分数阶控制器应用于心脏起搏器系统。
研究内容
该团队突破传统思路，提出“阻抗比”设计范式，将控制器的传递函数重构为单级RC网络与整数阶电路的比值。这一设计将传统方案的电路复杂度直接降低50%，仅需1个有源元件即可实现完整的分数阶控制功能。
分数阶控制器的典型功能框图
技术亮点
频域优化，元件减半：采用先进的最小二乘迭代优化算法，在频域内直接拟合目标阻抗特性，相比传统近似方法，所需电阻、电容数量减少50%，大幅简化电路布局。
第二代电压传输器 (VCII) 赋能低功耗：以超低功耗VCII芯片为核心，其内部仅集成1个电压缓冲器和1个电流跟随器，在0.35 μm CMOS工艺下实测功耗低至613微瓦，仅为传统方案的1/3。
动态性能精准达标：通过粒子群优化算法设计控制器参数，在Cadence仿真平台上验证显示：系统相位裕度超过71度，阶跃响应时间控制在230毫秒内，完全满足心脏起搏器对稳定性和实时性的严苛要求。
性能提升
元件数量：有源元件从4个减少至1个，无源元件数量降低60%。
精度提升：相位裕度误差从±1.2度优化至±0.2度 (蒙特卡洛分析验证)。
功耗突破：整体功耗降至传统方案的30%，延长设备续航能力。
研究总结
该研究为植入式医疗设备提供了“高精度+超低功耗”的创新解决方案。理论方面：首次通过阻抗比实现分数阶控制器的单级硬件设计。临床意义：613微瓦超低功耗验证通过，为心脏起搏器长效植入扫清技术障碍。平台拓展：设计方法兼容FPGA/FPAA可编程平台，助力下一代智能医疗设备开发。
原文出自JLPEA 期刊：https://www.mdpi.com/2111898
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jlpea
JLPEA 期刊介绍
主编：Davide Bertozzi, University of Manchester, UK
期刊旨在发表低功耗电子方向的创新研究和重要成果。期刊范围涵盖的主题包括但不限于新兴电子器件和工艺技术、模拟、数字和混合信号VLSI电路、架构和系统设计、SoC和嵌入式系统、能量采集和无电池系统、综合和优化工具，以及用于低功耗设计的CAD工具和方法。目前被Scopus、ESCI等数据库收录。
2023 Impact Factor：1.6
2023 CiteScore：3.6
Time to First Decision：20 Days
Acceptance to Publication：2.7 Days
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