用于RF能量获取的自洽供电超低压整流器设计方法研究

Based on nanometer level CMOS process, the design method of an ultra-low voltage low-power CMOS active rectifier for RF energy harvesting technology is discussed in this project. According to the universal challenge problemsof RF energy harvesting technology- - temporal fluctuations, working frequency, changes in the environment,and etc, the ropologies of the different rectifier are studied, and the high-level model of the RF energy harvesting system is established, the constraint relationship among the working frequency, the efficiency and the loads is analized, aiming to seek the optimal relationship between the working frequency and device size, the the high-level model and the efficiency, to research the affect mechanism of loads variation on the working frequency and output stability. Bulk regulation or buld-driven technology is applied to compensate the threshold voltage of MOSFET. Taking into account the affect of some irrataional factors such as noise and ripple on the rectifier, the conversion efficiency of the RF-DC energy harvesting system is improved in a wide frequency range. The multistage ultra-low voltage low-power CMOS active rectifier is completed, and at last a novel μW level high-efficiency self-adaptive RF-DC energy harvesting system is realized to meet the urgent demands of people for green, energy saving and environmental protection, the portable consumer electronic products.

本项目基于纳米级CMOS工艺，研究用于RF能量获取的超低压低功耗CMOS整流器电路设计方法。根据RF能源获取技术普遍存在的挑战性问题- - 时空波动、工作频率及环境的改变等，研究整流器电路的拓扑结构，建立RF能量获取系统的高层次模型，分析其工作频率、效率、负载间的约束条件，寻求工作频率和电路尺寸、高层次模型和输出效率间的最佳关系，研究负载变化对工作频率和输出稳定性的影响机理；采用衬底调制/衬底驱动技术补偿MOS器件的阈值电压，考虑噪声、纹波等非理性因素对有源整流器性能的影响，在较宽频率范围内提高RF-DC能量获取系统的转换效率；完成多级超低压低功耗CMOS有源整流器设计，最终实现一种微瓦量级的新型高效自适应RF-DC能源获取系统，以满足人们对于绿色、节能环保、便携式消费类电子产品的迫切需求。

随着半导体技术的不断发展，电路规模和结构逐渐复杂，传统电池已很难满足当前应用需求，因此能量获取技术受到了各界的广泛关注。其中，射频能由于不受时间和空间的限制，工作环境自由，传输范围大，近年来成为了能量获取技术的主流研究方向之一。本项目紧跟国际趋势，基于纳米级CMOS工艺，针对微能源获取技术，研究了超低压CMOS有源整流电路及设计方法。采用数学方法研究有源整流器的拓扑结构，建立其高层次模型；分析工作频率和电路尺寸、等效模型和输出效率之间的最佳匹配关系，研究负载变化对工作频率和输出稳定性的影响；采用衬底调制技术补偿MOS器件的阈值电压，采用衬底驱动、自供电、共栅极差分输入等设计技术，实现超低压自供电电路设计；分析噪声、纹波等非理性因素对有源整流器的影响，在较宽频率范围内提高了能量获取系统的转换效率。基于上述研究内容，本项目提出了3种新颖的能量获取整流接口电路：1）一种超低压自供电数字开关能量获取整流电路：利用自供电和数字开关设计，有效降低系统功耗，提高电路转换效率，同时提供足够大的输出电流和输出功率。仿真验证了设计的正确性和可行性，测得最大电压转换效率为96.3%，最大功率转换效率96.5%，输出电流29µA，输出功率15.43µW，系统带负载能力强，总功耗仅为1.42µW；2）一种具有零待机功耗的自供电高效能量获取整流电路：采用倍压电路和共栅极阈值可调运放实现了微瓦级高效自匹配能源获取系统，测得最小输入电压0.3V，峰值电压转换效率达99.6%，输出电流75.6µA，峰值输出功率转换效率98.2%，最大输出功率60.48µW，总功耗18.65µW，其中运放所占功耗2.65µW；3）一种基于MPPT的超低压低功耗CMOS有源整流电路：基于BOOST DC/DC结构完成了一种具有MPPT功能的超低压CMOS有源整流电路，测得峰值输出功率转换效率85.9%，输出电压1.6V，MPPT峰值追踪效率99.2%，峰值输出功率18.31µW，整个电路消耗的功耗16.53µW。结果表明，本设计适用于超低压微功耗能量获取应用。.综上，本项目所设计的整流电路均有较好的性能参数，能够满足人们对于绿色、节能环保、便携式消费类电子产品的迫切需求。本项目的研究成果具有重要的学术意义和应用价值，为能量获取技术的进一步探索和研究提供了理论依据和研究基础。