一种用于振动能量获取的接口电路

王静敏,杨 正,杨银堂

(西安电子科技大学微电子学院,陕西西安 710071)

一种用于振动能量获取的接口电路

王静敏,杨 正,杨银堂

(西安电子科技大学微电子学院,陕西西安 710071)

提出了一种应用于振动能量获取的低压高效接口电路.采用输入电压作为接口电路的电源电压,当输入电压较低时,整个接口电路处于休眠状态,电路无功耗,从而提高了电路的能量转换效率.整流器中的比较器采用衬底输入,有效地降低了电路对电源电压的要求,使得最低输入电压仅为0.2 V.基于SMIC 0.18μm 3.3 V标准CMOS工艺,采用Cadence Spectre进行了仿真验证.当输入电压为0.2 V（100 Hz),负载为40 kΩ时,电压转换效率高达89%;当输入电压为0.25 V（100 Hz),负载为40 kΩ时,能量转换效率达到80%,电路的最大能量转换效率高达90%.

振动能量获取;输入供电;CMOS有源整流器;有源二极管;亚阈值;衬底驱动

近年来,随着微电子技术的发展,对于便携式电子设备的需求不断增长.然而,这些电子设备使用电池作为能量来源,限制了设备的使用寿命.为了解决这个问题,对能量获取系统的研究应运而生[1].如图1所示,能量获取系统通过收集外界环境的能源（太阳能,热能,振动能,射频能等),经传感器转化为电能[2].然后AC-DC电路（整流器)和DC-DC电路对输出的电能进行储存与管理,从而为负载提供稳定的电源电压.太阳能只有在足够的光照条件下才能有效工作,因此其应用受到一定程度的限制.而自然界中的振动是广泛存在的,且功率密度较大.因此在所有能源中,振动能是最有发展前景的环境能源之一[3].

能量获取接口电路[4-5]如图2所示.一般的能量获取系统都是通过预充电电池或超大电容给系统供电,这种结构有一个缺点,那就是系统即使没有获取任何能量,电路也会产生功耗,即非零待机功耗.如果长时间没有获取能量,那么预先储存在电池或者电容上的电量最终会被抽干,整个能量收集系统不再工作.因此,两次能量获取之间的时间间隔必须确保有足够的储存电量来启动整个接口电路.为了解决这个问题,笔者提出了输入供电的能量获取接口电路.整流器由交流输入供电,DC-DC转换器由直流输入供电.因此,整个电路可以根据输入电压的高低自动选择工作模式或待机模式,只有当输入足够高的时候才消耗功率,而且不需要预先给电池或者电容充电,并且两次能量获取之间的时间间隔没有限制.

图1 环境中的能量与使用

图2 能量获取接口电路框图

振动能量获取系统总的效率由能量提取效率、整流器转换效率和DC-DC转换器的效率共同决定[6],所以必须使用具有高效能量转换效率的整流器来提高整个能量获取系统的效率.传统的整流器一般是基于二极管结构的,但由于二极管PN结压降一般较高,导致这种结构的整流器具有低的电压转换效率和能量转换效率,因此基于二极管的整流电路不适用于能量获取接口电路[7].文献[8]采用肖特基二极管代替传统二极管来提高整流器的效率,但高的生产成本限制了它的应用.文献[9]设计了一种交叉耦合互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor transistor,CMOS)有源全波整流器,然而此种结构需要两个比较器,电路复杂,整流器功耗大,效率低.文献[10]提出了包含两级的整流器,第1级是负电压转换器（Negative Voltage Converter,NVC),第2级为有源二极管,其最小输入电压为0.5 V.笔者设计了一种低压高效互补金属氧化物半导体有源整流器,比较器采用衬底输入,有效地降低了电路对电源电压的要求,使得最低输入电压为0.2 V.整流输出电压VNVC为比较器提供电源电压,当输入电压较低时,比较器处于休眠状态,此时比较器无能量损耗,因此笔者设计的整流器具有更高的电压转换效率和能量转换效率.

1 有源整流器

笔者设计的有源整流器如图3所示,包括两级.第1级是负电压转换器,该电路用来把正弦输入的负半波转化为正半波,但是其不能控制电流的方向,因此,电容CS上的电荷可能会由于电路的反向导通而损失,需要第2级电路来控制其电流方向.

1.1 负电压转换器

负电压转换器电路如图4所示.它用来把正弦输入负半波转化为正半波.当输入在正半波,即Vin1＞ Vin2时,随着输入电压不断增大到大于和Vthn时,晶体管P1和N2导通.这样电流从Vin1经过P1到达输出接点,然后经N2返回到Vin2.同样,当输入在负半波,即Vin2＞Vin1时,晶体管P2和N1导通.这样A点与Vin2连接.因此,A节点始终与输入的高电位相连.

图3 两级有源整流器电路图

图4 负电压转换器电路图

阈值电压Vth为

其中,γ,φF和VBS分别为体效应系数、衬底表面电势和源衬电压.从式（1)中可以看出,Vth随着VBS的增加而减小.因此,可以适当增加PM OS（P1,P2)衬底偏置电压来减小其阈值电压.衬底偏置电压通过使用两个二极管连接的NM OS（N3,N4)对VNVC进行分压来获得.由于双阱工艺不是标准工艺,因此,NM OS（N1,N2)的衬底与地相连.

1.2 有源二极管

有源二极管电路如图5所示,比较器采用衬底输入[11],有效地降低了电路对电源电压的要求,使得最低输入电压仅为0.2 V.当电压VNVC高于Vout时,比较器输出电压为低电平,P沟道金属氧化物半导体（P-channel Metal Oxide Semiconductor,PMOS)开关管导通.相反,如果电压VNVC低于电压Vout,则比较器输出电压为高电平,PMOS开关管关闭.

图5 有源二极管和比较器电路图

文中的整流器电路有两种功耗.一种为PMOS功率开关管导通时由于导通电阻引起的损耗,为了减小这种损耗,PMOS功率开关管应尽量使用大尺寸金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS)管.然而大的尺寸会带来大的寄生电容,因此设计中PMOS功率开关管的损耗应在导通电阻和寄生电容之间折中.另外一种就是比较器的功耗,因此比较器是有源整流器的关键模块.工作在亚阈值区MOS管的漏电流ID为

其中,ID0为常数;L为有效沟道长度;W为有效沟道宽度;VGS为栅源电压;n为亚阈值斜率系数;VT=kTq,为热电压.阈值电压Vth与VBS的关系如式（1)所示,因此

由式（3)可知,工作在亚阈值区MOS管的漏电流ID和VBS成正比,因此可采用工作在亚阈值区的衬底驱动MOS管作为比较器的输入管.文中的比较器包括偏置电路、比较电路和输出电路.偏置电路由M12和M13组成,偏置电压通过使用两个二极管连接的MOS管（M12和M13)对进行分压来获得.整流输出电压VNVC给比较器提供电源电压,当输入较低时,比较器处于休眠状态,因此降低了能量损耗.采用工作在亚阈值区的衬底驱动MOS管作为比较电路的输入管,能有效地降低比较电路对电源电压的要求,使得最低输入电压仅为0.2 V.当VNVC大于Vout时,由式（3)可知,流过M1的电流大于流过M2的电流,比较器Vcom输出低;相反,当VNVC小于Vout时,比较器Vcom输出高.输出电路由3个反相器组成,目的是提高比较器的驱动能力.

2 仿真结果与讨论

笔者设计的整流器电路基于中芯国际（Semiconductor Manufacturing International Corporation,SMIC)0.18μm 3.3 V标准CMOS工艺,采用Cadence Spectre进行了仿真验证,若无特殊说明,默认仿真频率为100 Hz,负载电容为8μF,负载电阻为40 kΩ.

对于能量获取应用来说,电压转换效率和能量转换效率在能够接受范围内的最小输入电压至关重要.比较器和整流器在输入电压为0.2 V下的输出波形如图6所示.从图6可知,输入电压为0.2 V,输出电压为0.178 V,整流器只有22 m V的电压降,电压转换效率高达89%.且从图6中可以看出,该整流器无反向电流.当输入电压低于0.2 V时,整流器仍可工作,但是其效率较低.

图6 比较器和整流器输出电压

电压转换效率（Voltage Conversion Efficiency,VCE)ηv为

图7 电压转换效率

不同工艺角下的电压转换效率如图7所示.由图7（a)可知,当输入电压超过0.2 V时,TT工艺角的电压转换效率为89%.不同频率下的电压转换效率如图7（b)所示,随着频率的增加,由于大尺寸的负电压转换器和PMOS开关功耗越来越大,因此电压转换效率变小.由图7（b)可知,在输入电压为0.2 V时,不同频率下的电压转换效率均超过85%,整流器可在10～500 Hz频率下工作.

能量转换效率（Power Conversion Efficiency,PCE)ηP为

输入供电和输出供电下的能量转换效率如图8所示.由图8可知,笔者设计的输入供电接口电路的能量转换效率相对于输出供电能量转换效率平均提高了6%,这是因为笔者设计的输入供电接口电路可以根据输入电压的高低自动选择工作模式或待机模式,因此避免了不必要的功耗.对于输入供电接口电路,当输入电压为0.25 V时,能量转换效率达到80%,电路的最大能量转换效率高达90%.笔者只是进行了仿真验证,若是在实际流片测试的情况下,由于电路比较简单,则引入的各种寄生效应对电路的影响较小,因此输入供电和输出供电下的能量转换效率基本上与仿真结果相吻合.

图8 输入供电和输出供电下的能量转换效率

笔者设计的接口电路与国内外相关研究结果的对比如表1所示.由表1可知,笔者所设计的接口电路在低电压、电压转换效率和能量转换效率方面具有较好的性能.

表1 接口电路的主要性能比较

3 总 结

笔者设计了一种应用于振动能量获取系统的低压高效CMOS有源整流器.采用输入电压作为接口电路的电源电压,当输入电压较低时,整个接口电路处于休眠状态,电路无功耗,从而提高了电路的能量转换效率.此外,比较器电路采用衬底驱动技术,降低了输入电压.基于SMIC 0.18μm 3.3 V标准CMOS工艺,采用Cadence Spectre进行了仿真验证,当输入电压为0.2 V（100 Hz),负载为40 kΩ时,电压转换效率高达89%;当输入电压为0.3 V（100 Hz),负载为40 kΩ时,电压转换效率高达96.6%;当输入电压为0.25 V（100 Hz),负载为40 kΩ时,能量转换效率达到80%.电路的最大能量转换效率高达90%.整流器可在10～500 Hz频率下工作,因此笔者设计的整流器能很好地应用于低压的振动能量获取系统中.

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（编辑:郭 华)

Highly efficient interface circuit for vibrational energy harvesting applications

WANG Jingmin,YANG Zheng,YANG Yintang
(School of Microelectronics,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

An input-powered vibrational energy harvesting interface circuit is presented.By using a bulkdriven comparator,the lowest input voltage amplitude can be reduced to 0.2 V.When the input voltage amplitude is low enough,the circuit can automatically shut down by adopting the input-powered,thereby avoiding unnecessary energy loss.Based on standard SMIC 0.18μm 3.3 V CMOS technology,simulation results show that the voltage conversion efficiency can reach up to 89%when the input voltage equals 0.2 V @100 Hz with a load resistance of 40 kΩ.The energy conversion efficiency can reach up to 80%when the input voltage equals 0.25 V@100 Hz with a load resistance of 40 kΩ,and the maximum efficiency can be up to 90%.Input voltages with frequencies in the range of 10～500 Hz can be rectified.

vibrational energy harvesting;an input-powered;CMOS active rectifier;active diode; subthreshold region;bulk-driven

TN4

A

1001-2400（2015)06-0118-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2015.06.021

2014-11-21

时间:2015-03-13

国家自然科学基金资助项目（61234002,61322405,61306044,61376033);国家863计划资助项目（2012AA012302,2013AA014103)

王静敏（1987-),女,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:xidian_wangjm@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150313.1719.021.html