一種用于振動能量獲取的接口電路

王靜敏,楊 正,楊銀堂

(西安電子科技大學微電子學院,陜西西安 710071)

一種用于振動能量獲取的接口電路

王靜敏,楊 正,楊銀堂

(西安電子科技大學微電子學院,陜西西安 710071)

提出了一種應用于振動能量獲取的低壓高效接口電路.采用輸入電壓作為接口電路的電源電壓,當輸入電壓較低時,整個接口電路處于休眠狀態,電路無功耗,從而提高了電路的能量轉換效率.整流器中的比較器采用襯底輸入,有效地降低了電路對電源電壓的要求,使得最低輸入電壓僅為0.2 V.基于SMIC 0.18μm 3.3 V標準CMOS工藝,采用Cadence Spectre進行了仿真驗證.當輸入電壓為0.2 V（100 Hz),負載為40 kΩ時,電壓轉換效率高達89%;當輸入電壓為0.25 V（100 Hz),負載為40 kΩ時,能量轉換效率達到80%,電路的最大能量轉換效率高達90%.

振動能量獲取;輸入供電;CMOS有源整流器;有源二極管;亞閾值;襯底驅動

近年來,隨著微電子技術的發展,對于便攜式電子設備的需求不斷增長.然而,這些電子設備使用電池作為能量來源,限制了設備的使用壽命.為了解決這個問題,對能量獲取系統的研究應運而生[1].如圖1所示,能量獲取系統通過收集外界環境的能源（太陽能,熱能,振動能,射頻能等),經傳感器轉化為電能[2].然后AC-DC電路（整流器)和DC-DC電路對輸出的電能進行儲存與管理,從而為負載提供穩定的電源電壓.太陽能只有在足夠的光照條件下才能有效工作,因此其應用受到一定程度的限制.而自然界中的振動是廣泛存在的,且功率密度較大.因此在所有能源中,振動能是最有發展前景的環境能源之一[3].

能量獲取接口電路[4-5]如圖2所示.一般的能量獲取系統都是通過預充電電池或超大電容給系統供電,這種結構有一個缺點,那就是系統即使沒有獲取任何能量,電路也會產生功耗,即非零待機功耗.如果長時間沒有獲取能量,那么預先儲存在電池或者電容上的電量最終會被抽干,整個能量收集系統不再工作.因此,兩次能量獲取之間的時間間隔必須確保有足夠的儲存電量來啟動整個接口電路.為了解決這個問題,筆者提出了輸入供電的能量獲取接口電路.整流器由交流輸入供電,DC-DC轉換器由直流輸入供電.因此,整個電路可以根據輸入電壓的高低自動選擇工作模式或待機模式,只有當輸入足夠高的時候才消耗功率,而且不需要預先給電池或者電容充電,并且兩次能量獲取之間的時間間隔沒有限制.

圖1 環境中的能量與使用

圖2 能量獲取接口電路框圖

振動能量獲取系統總的效率由能量提取效率、整流器轉換效率和DC-DC轉換器的效率共同決定[6],所以必須使用具有高效能量轉換效率的整流器來提高整個能量獲取系統的效率.傳統的整流器一般是基于二極管結構的,但由于二極管PN結壓降一般較高,導致這種結構的整流器具有低的電壓轉換效率和能量轉換效率,因此基于二極管的整流電路不適用于能量獲取接口電路[7].文獻[8]采用肖特基二極管代替傳統二極管來提高整流器的效率,但高的生產成本限制了它的應用.文獻[9]設計了一種交叉耦合互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor transistor,CMOS)有源全波整流器,然而此種結構需要兩個比較器,電路復雜,整流器功耗大,效率低.文獻[10]提出了包含兩級的整流器,第1級是負電壓轉換器（Negative Voltage Converter,NVC),第2級為有源二極管,其最小輸入電壓為0.5 V.筆者設計了一種低壓高效互補金屬氧化物半導體有源整流器,比較器采用襯底輸入,有效地降低了電路對電源電壓的要求,使得最低輸入電壓為0.2 V.整流輸出電壓VNVC為比較器提供電源電壓,當輸入電壓較低時,比較器處于休眠狀態,此時比較器無能量損耗,因此筆者設計的整流器具有更高的電壓轉換效率和能量轉換效率.

1 有源整流器

筆者設計的有源整流器如圖3所示,包括兩級.第1級是負電壓轉換器,該電路用來把正弦輸入的負半波轉化為正半波,但是其不能控制電流的方向,因此,電容CS上的電荷可能會由于電路的反向導通而損失,需要第2級電路來控制其電流方向.

1.1 負電壓轉換器

負電壓轉換器電路如圖4所示.它用來把正弦輸入負半波轉化為正半波.當輸入在正半波,即Vin1＞ Vin2時,隨著輸入電壓不斷增大到大于和Vthn時,晶體管P1和N2導通.這樣電流從Vin1經過P1到達輸出接點,然后經N2返回到Vin2.同樣,當輸入在負半波,即Vin2＞Vin1時,晶體管P2和N1導通.這樣A點與Vin2連接.因此,A節點始終與輸入的高電位相連.

圖3 兩級有源整流器電路圖

圖4 負電壓轉換器電路圖

閾值電壓Vth為

其中,γ,φF和VBS分別為體效應系數、襯底表面電勢和源襯電壓.從式（1)中可以看出,Vth隨著VBS的增加而減小.因此,可以適當增加PM OS（P1,P2)襯底偏置電壓來減小其閾值電壓.襯底偏置電壓通過使用兩個二極管連接的NM OS（N3,N4)對VNVC進行分壓來獲得.由于雙阱工藝不是標準工藝,因此,NM OS（N1,N2)的襯底與地相連.

1.2 有源二極管

有源二極管電路如圖5所示,比較器采用襯底輸入[11],有效地降低了電路對電源電壓的要求,使得最低輸入電壓僅為0.2 V.當電壓VNVC高于Vout時,比較器輸出電壓為低電平,P溝道金屬氧化物半導體（P-channel Metal Oxide Semiconductor,PMOS)開關管導通.相反,如果電壓VNVC低于電壓Vout,則比較器輸出電壓為高電平,PMOS開關管關閉.

圖5 有源二極管和比較器電路圖

文中的整流器電路有兩種功耗.一種為PMOS功率開關管導通時由于導通電阻引起的損耗,為了減小這種損耗,PMOS功率開關管應盡量使用大尺寸金屬氧化物半導體（Metal Oxide Semiconductor,MOS)管.然而大的尺寸會帶來大的寄生電容,因此設計中PMOS功率開關管的損耗應在導通電阻和寄生電容之間折中.另外一種就是比較器的功耗,因此比較器是有源整流器的關鍵模塊.工作在亞閾值區MOS管的漏電流ID為

其中,ID0為常數;L為有效溝道長度;W為有效溝道寬度;VGS為柵源電壓;n為亞閾值斜率系數;VT=kTq,為熱電壓.閾值電壓Vth與VBS的關系如式（1)所示,因此

由式（3)可知,工作在亞閾值區MOS管的漏電流ID和VBS成正比,因此可采用工作在亞閾值區的襯底驅動MOS管作為比較器的輸入管.文中的比較器包括偏置電路、比較電路和輸出電路.偏置電路由M12和M13組成,偏置電壓通過使用兩個二極管連接的MOS管（M12和M13)對進行分壓來獲得.整流輸出電壓VNVC給比較器提供電源電壓,當輸入較低時,比較器處于休眠狀態,因此降低了能量損耗.采用工作在亞閾值區的襯底驅動MOS管作為比較電路的輸入管,能有效地降低比較電路對電源電壓的要求,使得最低輸入電壓僅為0.2 V.當VNVC大于Vout時,由式（3)可知,流過M1的電流大于流過M2的電流,比較器Vcom輸出低;相反,當VNVC小于Vout時,比較器Vcom輸出高.輸出電路由3個反相器組成,目的是提高比較器的驅動能力.

2 仿真結果與討論

筆者設計的整流器電路基于中芯國際（Semiconductor Manufacturing International Corporation,SMIC)0.18μm 3.3 V標準CMOS工藝,采用Cadence Spectre進行了仿真驗證,若無特殊說明,默認仿真頻率為100 Hz,負載電容為8μF,負載電阻為40 kΩ.

對于能量獲取應用來說,電壓轉換效率和能量轉換效率在能夠接受范圍內的最小輸入電壓至關重要.比較器和整流器在輸入電壓為0.2 V下的輸出波形如圖6所示.從圖6可知,輸入電壓為0.2 V,輸出電壓為0.178 V,整流器只有22 m V的電壓降,電壓轉換效率高達89%.且從圖6中可以看出,該整流器無反向電流.當輸入電壓低于0.2 V時,整流器仍可工作,但是其效率較低.

圖6 比較器和整流器輸出電壓

電壓轉換效率（Voltage Conversion Efficiency,VCE)ηv為

圖7 電壓轉換效率

不同工藝角下的電壓轉換效率如圖7所示.由圖7（a)可知,當輸入電壓超過0.2 V時,TT工藝角的電壓轉換效率為89%.不同頻率下的電壓轉換效率如圖7（b)所示,隨著頻率的增加,由于大尺寸的負電壓轉換器和PMOS開關功耗越來越大,因此電壓轉換效率變小.由圖7（b)可知,在輸入電壓為0.2 V時,不同頻率下的電壓轉換效率均超過85%,整流器可在10～500 Hz頻率下工作.

能量轉換效率（Power Conversion Efficiency,PCE)ηP為

輸入供電和輸出供電下的能量轉換效率如圖8所示.由圖8可知,筆者設計的輸入供電接口電路的能量轉換效率相對于輸出供電能量轉換效率平均提高了6%,這是因為筆者設計的輸入供電接口電路可以根據輸入電壓的高低自動選擇工作模式或待機模式,因此避免了不必要的功耗.對于輸入供電接口電路,當輸入電壓為0.25 V時,能量轉換效率達到80%,電路的最大能量轉換效率高達90%.筆者只是進行了仿真驗證,若是在實際流片測試的情況下,由于電路比較簡單,則引入的各種寄生效應對電路的影響較小,因此輸入供電和輸出供電下的能量轉換效率基本上與仿真結果相吻合.

圖8 輸入供電和輸出供電下的能量轉換效率

筆者設計的接口電路與國內外相關研究結果的對比如表1所示.由表1可知,筆者所設計的接口電路在低電壓、電壓轉換效率和能量轉換效率方面具有較好的性能.

表1 接口電路的主要性能比較

3 總 結

筆者設計了一種應用于振動能量獲取系統的低壓高效CMOS有源整流器.采用輸入電壓作為接口電路的電源電壓,當輸入電壓較低時,整個接口電路處于休眠狀態,電路無功耗,從而提高了電路的能量轉換效率.此外,比較器電路采用襯底驅動技術,降低了輸入電壓.基于SMIC 0.18μm 3.3 V標準CMOS工藝,采用Cadence Spectre進行了仿真驗證,當輸入電壓為0.2 V（100 Hz),負載為40 kΩ時,電壓轉換效率高達89%;當輸入電壓為0.3 V（100 Hz),負載為40 kΩ時,電壓轉換效率高達96.6%;當輸入電壓為0.25 V（100 Hz),負載為40 kΩ時,能量轉換效率達到80%.電路的最大能量轉換效率高達90%.整流器可在10～500 Hz頻率下工作,因此筆者設計的整流器能很好地應用于低壓的振動能量獲取系統中.

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（編輯:郭 華)

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

時間:2015-03-13

國家自然科學基金資助項目（61234002,61322405,61306044,61376033);國家863計劃資助項目（2012AA012302,2013AA014103)

王靜敏（1987-),女,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:xidian_wangjm@163.com.

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