应用于能量收集中的接口电路的设计

邝小飞，刘亚茹，刘 梨

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

应用于能量收集中的接口电路的设计

邝小飞，刘亚茹，刘 梨

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

针对从周围环境中收集能量的微型发电机输出功率和电压非常小，无法直接应用的问题。文中设计了一种超低输入电压、低功耗且高效的接口电路。该接口电路包含两级，第一级是无源级和仅由一个有源二极管组成的第二级。为降低有源二极管的功耗，采用一个工作在亚阈值区的衬底输入比较器用来驱动MOS开关。设计采用TSMC 0.18 μm 标准CMOS工艺，使用Cadence Spectre在室温的条件下进行仿真。结果表明，在输入电压为500 mV(100 Hz)，负载电阻为50 kΩ时整流器的电压转换率为97.7%，能量转换率为91.3%。整流器能够在输入电压振幅为320 mV以上实现高效整流。

AC-DC整流器；有源二极管；衬底驱动；能量收集

随着传感技术的发展，传感系统在监测物理参数如温度、湿度和机械压力等应用中越来越重要[1]。传感系统对电源的寿命和能量密度要求越来越严格,每个节点的供电方式决定了整个传感器的生存时间,传统的供电方式采用电池或交流供电，但是在许多情况下,电池或交流电源给无线传感器供电并不可行,因为电池寿命短且不易维护更换[2-3]。这就要求这个系统能够自供电。自供电设备通过微型发电机收集周围环境的能量，它能够在没有任何连续的外部电源供应的情况下完成运行[4]。目前，许多微型发电机通过不同形式收集周围环境的能量用于自供电设备中[5]。微型发电机从周围环境的震动中收集机械能量，这是许多研究团队当前研究的焦点[6]。振动能量的收集方式根据能量转换的原理可以分成电磁式、压电式、静电式3种类型。本文设计的整流器是应用在对微型发电机的输出电压进行整流，此微型发电机采用的是电磁式，用于收集周围的环境振动能量。

微型能量收集发电机的输出电压和功率通常都很小，所以要使用高效的整流器。此外，系统不能有大的电压降，因此不能使用普通的MOS二极管。采用CMOS集成有源整流器是一个实现较高效率的创新方法，它提供一个与输入电压接近的输出电压，并且功耗很小。

1 CMOS集成整流器

CMOS集成整流器大致划分为两种：无源和有源整流器。无源整流器通常使用MOS晶体管的二极管结构，它的电压降与晶体管的阈值电压VTH相关。为了减小电压降，我们可以通过降低晶体管的阈值电压来实现。常用的降低MOS二极管阈值电压的技术有自举电容[7]、衬源偏置[8]、栅漏电势的影响[9]和浮栅技术[10]。

尽管有许多方法可以减小无源整流器的阈值电压，但是无源整流器关于电压和功率转换效率的性能低于有源整流器。特别是在输入电压振幅较低时，输出剩余电压下降，性能降低。无源整流器适合于在输入频率较高的情况下工作。

有源整流器可以用一个无源MOS二极管并联有源二极管[11]来设计，还可用两个有源二极管组成全波整流器[12]。这些整流器在电压转换效率上表现出很高的性能，但是不能在超低电压下工作。本文设计了一种高效且能够在超低电压下工作的有源整流器。

2 高效有源整流器

本文所设计的有源整流器可以分成两级，如图1所示。第一级为负电压转换器(Negative Voltage Converter，NVC)，用来将交流输入电压中的负半周期电压转换成正电压。第二级是有源二极管，用来控制电流方向。

图1 两级有源整流器电路图

2.1 负电压转换器

该负电压转换器完全是无源的，用来将正弦波形的输入电压负半波形电压转换成正半波形电压。相比MOS二极管，负电压转换器的第一级输入和输出之间没有阈值电压降VTH，只有一个很小的电压降出现，这是由于晶体管的导通电阻产生的。由于漏源电压VDS很小，MOS晶体管导通后工作在深线性区，导通电阻可以表示为

(1)

其中，Ron是导通电阻，un为电子迁移率，Cox为单位面积栅氧化层电容，W和L分别是栅宽和栅长，VGS和VTH分别为栅源电压和阈值电压。

从式(1)可以看出，导通电阻与栅宽W成反比，与栅长L成正比，与阈值电压VTH成正相关。因此，为了减小导通电阻，晶体管的栅宽必须足够的大，还可以采用衬底偏置降低晶体管的阈值电压，从而使整流器即使在低输入电压时也能达到很高的效率。本文负电压转换器的电路结构如图2所示，采用了衬底偏置技术。

图2 衬底偏置的负电压转换器

2.2 有源二极管

所设计的有源二极管由一个PMOS开关和驱动PMOS开关的比较器组成。为了避免在启动期间打开p-n结，对PMOS开关实施了衬底调节电路。衬底调节电路中的两个PMOS晶体管很小，因为在启动阶段只有很小的电流流动。

为保证有源二极管能够在所有的工艺角下能够安全启动，使用一个附加的旁路PMOS晶体管与有源二极管并联。这样虽然增加了面积但是有源二极管在最坏条件(具有高阈值电压和低温度运行的工艺变化)下更加稳健。在有源二极管开始工作后，旁路二极管不再运行并且一直保持高阻状态。旁路PMOS管的n阱与PMOS开关的衬底调节电路相连接。

2.3 比较器的设计

因为比较器是由储存电容Cs供电，所以比较器的功耗必须非常低。本文所设计的比较器如图3所示。它包含3部分：偏置电路、衬底输入级和输出级。输入级是采用衬底输入的2个PMOS晶体管，用来比较VNVC与Vout之间的大小关系[13]。输出级是由4个反相器串联组成的，这是为了在Vcomp端产生相近的数字输出信号。

图3 比较器的电路图

电路中的晶体管工作在亚阈值区，漏电流ID的大小为

(2)

其中，ID0是一个与工艺相关的参数；n是亚阈值斜率系数；k为玻尔兹曼常数；q为电子的电量；T为热力学温度。

阈值电压VTH依赖于衬底电势,这被称为体效应，可以用式(3)表示

(3)

其中，VTH0是MOS晶体管初始阈值电压，γ、ΦF和VSB分别是体效应系数、衬底表面电势和源衬电势差。因此，可以给出一个理想的VSB对VTH的影响关系，在弱反型时ID与源衬电势差之间的指数关系可以表示为[14-15]

(4)

3 仿真结果

采用TSMC 0.18 μm标准CMOS工艺，使用Cadence Spectre在室温的条件下对电路进行仿真计算。仿真输入电压的幅度为500 mV，频率为100 Hz。为使输出电流约为10 μA，将CS设置为10 μF，RL设置为50 kΩ，并且这也是一个超低能量采集器的实际值。

3.1 功率消耗

使用振幅和频率分别为500 mV和100 Hz的输入电压仿真出的每一级功耗如表1所示。总的输入功率为5 209.1 nW,比较器的功耗为203.6 nW，包含MPS和MPBD的有源二极管所消耗的功耗为265.2 nW。而对于第一级负电压转换电路(NVC)所消耗的功率只有188.2 nW。总的功率损耗仅为输入功率的8.7%。

表1 500 mV输入电压下每一级功耗

3.2 瞬态特性

图4显示了有源整流器在超过一个周期，振幅和频率分别是500 mV和100 Hz的输入电压稳态仿真下的相关电压。从图中可看出，第一级的负的输入电压Vin转换为正的电压VNVC。第一级衬底输入级的输出信号Vdiff并不是非常尖锐，所以不能驱动开关MPS。信号Vdiff通过反相器变成方波信号Vcomp驱动开关MPS。

图4 有源整流器仿真图

3.3 工作电压

输入输出电压的仿真如图5所示。其中AR表示本文设计的有源整流器，PD_L是用大的宽长比PMOS无源二极管代替第二级有源二极管的整流器，PD_S是用宽长比较小的PMOS无源二极管代替第二级有源二极管的整流器。输入电压低于280 mV时，所有模拟整流器只显示一个可以忽略不计的输出电压。输入电压超过280 mV时，输出略有增加。在约320 mV时，有源整流器的输出电压急剧增加，这是因为有源二极管已经开始工作。在大约500 mV，斜率减小，工作曲线趋于理想曲线(对角线)。这种整流器的电压降主要是由晶体管的导通电阻引起的。

图5 输入输出电压仿真图

3.4 电压与功率效率

电压效率随输入电压的幅度变化如图6所示，电压效率是输出电压与输入电压幅值的比值

(5)

从图中得出，无源整流器效率低，而有源整流器的电压效率从380 mV电压开始就超过90%，进一步增加到一个最大值98%，随后几乎保持不变。因此，因为晶体管的导通电阻，有源整流器的压降增加，与无源整流器刚好相反，无源整流器的压降几乎恒定。

图6 电压转换效率随输入电压的幅度变化图

整流器的能量转换效率随负载电阻的阻值变化如图7所示。无源整流器在负载RL最大时达到最大功率效率。有源整流器的最大值约为50 kΩ(9.8 μA)。随着RL的下降，效率降低。在较大RL下，有源二极管的电流消耗变得更占主导地位，从而降低效率。在RL为1 MΩ(0.5 μA)时通过欧姆负载的电流和通过比较器的电流一样低，因此，功率效率约为42.6%。然而，由于产生的电流非常低，所以此时大负载的减少并不重要。

(6)

图7 整流器的能量转换效率随负载电阻的阻值变化图

表2为设计的高效有源整流器与其他文献中的整流器的比较结果。与文献[15～17]相比，本文的输入电压振幅低，满足低电压设计，电压和能量转换效率高，且在工作频率等方面，本文的相比于国内外相关研究结果有较大提高，如表2所示。

表2 整流器的主要性能比较

4 结束语

本文对应用于能量收集中的接口电路进行了研究和设计，主要包括负电压转换器，有源二极管以及低压低功耗比较器电路。提出了一种采用衬底偏置的负电压转换器和由一个工作在亚阈值区的衬底输入比较器用来驱动MOS开关组成的高效整流器。衬底偏置技术的应用可以降低MOS晶体管的阈值电压，并且能够减小所用器件尺寸。此外，本文所设计的有源整流器没有阈值电压的损耗，能够增加器件尺寸来降低MOS晶体管的导通电阻，从而减小导通损耗。仿真结果表明，所提出的基于衬底驱动比较器结构的整流器的输入电压可以降低到320 mV以下,在输入电压振幅为500 mV，输入频率为100 Hz，负载电阻50 kΩ的情况下，整流器的电压转换效率为97.7%，能量转换效率为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

国家自然科学基金(61274029)

邝小飞(1971-)，男，博士，副教授。研究方向：数模混合信号集成电路设计、射频集成电路设计。刘亚茹(1992-),女，硕士研究生。研究方向：集成电路设计。刘梨(1989-),男，硕士研究生。研究方向：集成电路设计。

TN402

A

1007-7820(2018)01-034-05