應(yīng)用于能量收集中的接口電路的設(shè)計(jì)

鄺小飛，劉亞茹，劉 梨

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

應(yīng)用于能量收集中的接口電路的設(shè)計(jì)

鄺小飛，劉亞茹，劉 梨

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對從周圍環(huán)境中收集能量的微型發(fā)電機(jī)輸出功率和電壓非常小，無法直接應(yīng)用的問題。文中設(shè)計(jì)了一種超低輸入電壓、低功耗且高效的接口電路。該接口電路包含兩級，第一級是無源級和僅由一個(gè)有源二極管組成的第二級。為降低有源二極管的功耗，采用一個(gè)工作在亞閾值區(qū)的襯底輸入比較器用來驅(qū)動MOS開關(guān)。設(shè)計(jì)采用TSMC 0.18 μm 標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，使用Cadence Spectre在室溫的條件下進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，在輸入電壓為500 mV(100 Hz)，負(fù)載電阻為50 kΩ時(shí)整流器的電壓轉(zhuǎn)換率為97.7%，能量轉(zhuǎn)換率為91.3%。整流器能夠在輸入電壓振幅為320 mV以上實(shí)現(xiàn)高效整流。

AC-DC整流器；有源二極管；襯底驅(qū)動；能量收集

隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，傳感系統(tǒng)在監(jiān)測物理參數(shù)如溫度、濕度和機(jī)械壓力等應(yīng)用中越來越重要[1]。傳感系統(tǒng)對電源的壽命和能量密度要求越來越嚴(yán)格,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的供電方式?jīng)Q定了整個(gè)傳感器的生存時(shí)間,傳統(tǒng)的供電方式采用電池或交流供電，但是在許多情況下,電池或交流電源給無線傳感器供電并不可行,因?yàn)殡姵貕勖糖也灰拙S護(hù)更換[2-3]。這就要求這個(gè)系統(tǒng)能夠自供電。自供電設(shè)備通過微型發(fā)電機(jī)收集周圍環(huán)境的能量，它能夠在沒有任何連續(xù)的外部電源供應(yīng)的情況下完成運(yùn)行[4]。目前，許多微型發(fā)電機(jī)通過不同形式收集周圍環(huán)境的能量用于自供電設(shè)備中[5]。微型發(fā)電機(jī)從周圍環(huán)境的震動中收集機(jī)械能量，這是許多研究團(tuán)隊(duì)當(dāng)前研究的焦點(diǎn)[6]。振動能量的收集方式根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的原理可以分成電磁式、壓電式、靜電式3種類型。本文設(shè)計(jì)的整流器是應(yīng)用在對微型發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行整流，此微型發(fā)電機(jī)采用的是電磁式，用于收集周圍的環(huán)境振動能量。

微型能量收集發(fā)電機(jī)的輸出電壓和功率通常都很小，所以要使用高效的整流器。此外，系統(tǒng)不能有大的電壓降，因此不能使用普通的MOS二極管。采用CMOS集成有源整流器是一個(gè)實(shí)現(xiàn)較高效率的創(chuàng)新方法，它提供一個(gè)與輸入電壓接近的輸出電壓，并且功耗很小。

1 CMOS集成整流器

CMOS集成整流器大致劃分為兩種：無源和有源整流器。無源整流器通常使用MOS晶體管的二極管結(jié)構(gòu)，它的電壓降與晶體管的閾值電壓VTH相關(guān)。為了減小電壓降，我們可以通過降低晶體管的閾值電壓來實(shí)現(xiàn)。常用的降低MOS二極管閾值電壓的技術(shù)有自舉電容[7]、襯源偏置[8]、柵漏電勢的影響[9]和浮柵技術(shù)[10]。

盡管有許多方法可以減小無源整流器的閾值電壓，但是無源整流器關(guān)于電壓和功率轉(zhuǎn)換效率的性能低于有源整流器。特別是在輸入電壓振幅較低時(shí)，輸出剩余電壓下降，性能降低。無源整流器適合于在輸入頻率較高的情況下工作。

有源整流器可以用一個(gè)無源MOS二極管并聯(lián)有源二極管[11]來設(shè)計(jì)，還可用兩個(gè)有源二極管組成全波整流器[12]。這些整流器在電壓轉(zhuǎn)換效率上表現(xiàn)出很高的性能，但是不能在超低電壓下工作。本文設(shè)計(jì)了一種高效且能夠在超低電壓下工作的有源整流器。

2 高效有源整流器

本文所設(shè)計(jì)的有源整流器可以分成兩級，如圖1所示。第一級為負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器(Negative Voltage Converter，NVC)，用來將交流輸入電壓中的負(fù)半周期電壓轉(zhuǎn)換成正電壓。第二級是有源二極管，用來控制電流方向。

圖1 兩級有源整流器電路圖

2.1 負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器

該負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器完全是無源的，用來將正弦波形的輸入電壓負(fù)半波形電壓轉(zhuǎn)換成正半波形電壓。相比MOS二極管，負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器的第一級輸入和輸出之間沒有閾值電壓降VTH，只有一個(gè)很小的電壓降出現(xiàn)，這是由于晶體管的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的。由于漏源電壓VDS很小，MOS晶體管導(dǎo)通后工作在深線性區(qū)，導(dǎo)通電阻可以表示為

(1)

其中，Ron是導(dǎo)通電阻，un為電子遷移率，Cox為單位面積柵氧化層電容，W和L分別是柵寬和柵長，VGS和VTH分別為柵源電壓和閾值電壓。

從式(1)可以看出，導(dǎo)通電阻與柵寬W成反比，與柵長L成正比，與閾值電壓VTH成正相關(guān)。因此，為了減小導(dǎo)通電阻，晶體管的柵寬必須足夠的大，還可以采用襯底偏置降低晶體管的閾值電壓，從而使整流器即使在低輸入電壓時(shí)也能達(dá)到很高的效率。本文負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用了襯底偏置技術(shù)。

圖2 襯底偏置的負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器

2.2 有源二極管

所設(shè)計(jì)的有源二極管由一個(gè)PMOS開關(guān)和驅(qū)動PMOS開關(guān)的比較器組成。為了避免在啟動期間打開p-n結(jié)，對PMOS開關(guān)實(shí)施了襯底調(diào)節(jié)電路。襯底調(diào)節(jié)電路中的兩個(gè)PMOS晶體管很小，因?yàn)樵趩与A段只有很小的電流流動。

為保證有源二極管能夠在所有的工藝角下能夠安全啟動，使用一個(gè)附加的旁路PMOS晶體管與有源二極管并聯(lián)。這樣雖然增加了面積但是有源二極管在最壞條件(具有高閾值電壓和低溫度運(yùn)行的工藝變化)下更加穩(wěn)健。在有源二極管開始工作后，旁路二極管不再運(yùn)行并且一直保持高阻狀態(tài)。旁路PMOS管的n阱與PMOS開關(guān)的襯底調(diào)節(jié)電路相連接。

2.3 比較器的設(shè)計(jì)

因?yàn)楸容^器是由儲存電容Cs供電，所以比較器的功耗必須非常低。本文所設(shè)計(jì)的比較器如圖3所示。它包含3部分：偏置電路、襯底輸入級和輸出級。輸入級是采用襯底輸入的2個(gè)PMOS晶體管，用來比較VNVC與Vout之間的大小關(guān)系[13]。輸出級是由4個(gè)反相器串聯(lián)組成的，這是為了在Vcomp端產(chǎn)生相近的數(shù)字輸出信號。

圖3 比較器的電路圖

電路中的晶體管工作在亞閾值區(qū)，漏電流ID的大小為

(2)

其中，ID0是一個(gè)與工藝相關(guān)的參數(shù)；n是亞閾值斜率系數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；q為電子的電量；T為熱力學(xué)溫度。

閾值電壓VTH依賴于襯底電勢,這被稱為體效應(yīng)，可以用式(3)表示

(3)

其中，VTH0是MOS晶體管初始閾值電壓，γ、ΦF和VSB分別是體效應(yīng)系數(shù)、襯底表面電勢和源襯電勢差。因此，可以給出一個(gè)理想的VSB對VTH的影響關(guān)系，在弱反型時(shí)ID與源襯電勢差之間的指數(shù)關(guān)系可以表示為[14-15]

(4)

3 仿真結(jié)果

采用TSMC 0.18 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，使用Cadence Spectre在室溫的條件下對電路進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真輸入電壓的幅度為500 mV，頻率為100 Hz。為使輸出電流約為10 μA，將CS設(shè)置為10 μF，RL設(shè)置為50 kΩ，并且這也是一個(gè)超低能量采集器的實(shí)際值。

3.1 功率消耗

使用振幅和頻率分別為500 mV和100 Hz的輸入電壓仿真出的每一級功耗如表1所示?？偟妮斎牍β蕿? 209.1 nW,比較器的功耗為203.6 nW，包含MPS和MPBD的有源二極管所消耗的功耗為265.2 nW。而對于第一級負(fù)電壓轉(zhuǎn)換電路(NVC)所消耗的功率只有188.2 nW?？偟墓β蕮p耗僅為輸入功率的8.7%。

表1 500 mV輸入電壓下每一級功耗

3.2 瞬態(tài)特性

圖4顯示了有源整流器在超過一個(gè)周期，振幅和頻率分別是500 mV和100 Hz的輸入電壓穩(wěn)態(tài)仿真下的相關(guān)電壓。從圖中可看出，第一級的負(fù)的輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為正的電壓VNVC。第一級襯底輸入級的輸出信號Vdiff并不是非常尖銳，所以不能驅(qū)動開關(guān)MPS。信號Vdiff通過反相器變成方波信號Vcomp驅(qū)動開關(guān)MPS。

圖4 有源整流器仿真圖

3.3 工作電壓

輸入輸出電壓的仿真如圖5所示。其中AR表示本文設(shè)計(jì)的有源整流器，PD_L是用大的寬長比PMOS無源二極管代替第二級有源二極管的整流器，PD_S是用寬長比較小的PMOS無源二極管代替第二級有源二極管的整流器。輸入電壓低于280 mV時(shí)，所有模擬整流器只顯示一個(gè)可以忽略不計(jì)的輸出電壓。輸入電壓超過280 mV時(shí)，輸出略有增加。在約320 mV時(shí)，有源整流器的輸出電壓急劇增加，這是因?yàn)橛性炊O管已經(jīng)開始工作。在大約500 mV，斜率減小，工作曲線趨于理想曲線(對角線)。這種整流器的電壓降主要是由晶體管的導(dǎo)通電阻引起的。

圖5 輸入輸出電壓仿真圖

3.4 電壓與功率效率

電壓效率隨輸入電壓的幅度變化如圖6所示，電壓效率是輸出電壓與輸入電壓幅值的比值

(5)

從圖中得出，無源整流器效率低，而有源整流器的電壓效率從380 mV電壓開始就超過90%，進(jìn)一步增加到一個(gè)最大值98%，隨后幾乎保持不變。因此，因?yàn)榫w管的導(dǎo)通電阻，有源整流器的壓降增加，與無源整流器剛好相反，無源整流器的壓降幾乎恒定。

圖6 電壓轉(zhuǎn)換效率隨輸入電壓的幅度變化圖

整流器的能量轉(zhuǎn)換效率隨負(fù)載電阻的阻值變化如圖7所示。無源整流器在負(fù)載RL最大時(shí)達(dá)到最大功率效率。有源整流器的最大值約為50 kΩ(9.8 μA)。隨著RL的下降，效率降低。在較大RL下，有源二極管的電流消耗變得更占主導(dǎo)地位，從而降低效率。在RL為1 MΩ(0.5 μA)時(shí)通過歐姆負(fù)載的電流和通過比較器的電流一樣低，因此，功率效率約為42.6%。然而，由于產(chǎn)生的電流非常低，所以此時(shí)大負(fù)載的減少并不重要。

(6)

圖7 整流器的能量轉(zhuǎn)換效率隨負(fù)載電阻的阻值變化圖

表2為設(shè)計(jì)的高效有源整流器與其他文獻(xiàn)中的整流器的比較結(jié)果。與文獻(xiàn)[15～17]相比，本文的輸入電壓振幅低，滿足低電壓設(shè)計(jì)，電壓和能量轉(zhuǎn)換效率高，且在工作頻率等方面，本文的相比于國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果有較大提高，如表2所示。

表2 整流器的主要性能比較

4 結(jié)束語

本文對應(yīng)用于能量收集中的接口電路進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，主要包括負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器，有源二極管以及低壓低功耗比較器電路。提出了一種采用襯底偏置的負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器和由一個(gè)工作在亞閾值區(qū)的襯底輸入比較器用來驅(qū)動MOS開關(guān)組成的高效整流器。襯底偏置技術(shù)的應(yīng)用可以降低MOS晶體管的閾值電壓，并且能夠減小所用器件尺寸。此外，本文所設(shè)計(jì)的有源整流器沒有閾值電壓的損耗，能夠增加器件尺寸來降低MOS晶體管的導(dǎo)通電阻，從而減小導(dǎo)通損耗。仿真結(jié)果表明，所提出的基于襯底驅(qū)動比較器結(jié)構(gòu)的整流器的輸入電壓可以降低到320 mV以下,在輸入電壓振幅為500 mV，輸入頻率為100 Hz，負(fù)載電阻50 kΩ的情況下，整流器的電壓轉(zhuǎn)換效率為97.7%，能量轉(zhuǎn)換效率為91.3%。

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Design of Interface Circuit Used in Energy Harvesting

KUANG Xiaofei,LIU Yaru,LIU Li

(School of Electronics and Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018，China)

The output power and voltage of micro harvesting generators is usually low,can not be directly applied. Design of a highly efficient, low-power and ultra-low-voltage interface circuit. A two-stage concept is used including a first passive stage and only one active diode as second stage. In order to reduce the power consumption of the active diode, a bulk-input comparator working in the sub threshold region is used to drive the switch of the active diode. Based on standard TSMC 0.18 μm CMOS technology, the following simulations are carried out using Cadence Spectre at room temperature .The simulation results show that the voltage efficiency of 97.7% and the power efficiency of 91.3% when the input voltage is 500 mV (100 Hz)with a load resistance of 50 kΩ .Rectifier can achieve high efficiency in the input voltage amplitude above of 320 mV.

AC-DC converter；active diode；bulk-driven；energy harvesting

2016- 03- 17

國家自然科學(xué)基金(61274029)

鄺小飛(1971-)，男，博士，副教授。研究方向：數(shù)?；旌闲盘柤呻娐吩O(shè)計(jì)、射頻集成電路設(shè)計(jì)。劉亞茹(1992-),女，碩士研究生。研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。劉梨(1989-),男，碩士研究生。研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。

TN402

A

1007-7820(2018)01-034-05