CN108649822B - 一种阶数可控的cmos多阶射频整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种阶数可控的CMOS多阶射频整流器，包括1个基本差分整流单元、n‑1个使能差分整流单元和n个控制单元。本发明通过地端控制的接入，降低整流器的关断功耗，主要解决现有技术关断功耗较大的问题，并且可对本结构进行扩展级联得到的阶数可控n阶整流器，可以实现工作阶数可控功能，实现最大功率工作。本发明能够显著降低整流器的关断功耗，为多阶整流器低功耗待机提供一种参考方案。

Description

一种阶数可控的CMOS多阶射频整流器
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种阶数可控的CMOS多阶射频整流器。
背景技术
随着无线充电技术飞快发展，人们要求设备在更远距离保持较高功率转换效率(PCE)充电。无线充电核心技术之一是整流器的设计。由于空间中无线信号能量比较低，需要将多阶整流器级联才能满足设备供电。但是阶数过多会使PCE降低，阶数过少会造成输出电压满足不了负载供电需求。根据输入功率(PIN)和输出电压的大小，合理控制整流器的阶数，可以实现多阶整流器在输出电压满足负载要求下，保持较高的PCE。整流器的阶数控制电路是实现高PCE和低关断功耗(POFF)的重要保障。
发明内容
本发明针对现有固定阶数整流器适用的输入功率过窄和关断功耗POFF较大的问题，提供一种阶数可控的CMOS多阶射频整流器。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种阶数可控的CMOS多阶射频整流器，包括1个基本差分整流单元、n-1个使能差分整流单元和n个控制单元；其中n为大于等于1的正整数；基本差分整流单元和所有使能差分整流单元的差分输入正端接正射频信号RF+，基本差分整流单元和所有使能差分整流单元的差分输入负端接负射频信号RF-；每个使能差分整流单元的使能端接使能信号；基本差分整流单元的输出端接第一使能差分整流单元的输入端，前一使能差分整流单元的输出端接后一使能差分整流单元的输入端；第一控制单元的控制端接第一控制信号OCtr1，第一控制单元的输入端接基本差分整流单元的输出端，第一控制单元的输出端输出整流信号Vout1；第i控制单元的控制端接第i控制信号OCtri，第i控制单元的输入端接第i-1使能差分整流单元的输出端，第i控制单元的输出端输出整流信号Vouti，其中i＝2，3，n。
上述基本差分整流单元由NMOS管MN1、MN2，PMOS管MP1、MP2，以及电容C1、C2、Co1构成；NMOS管MN1的漏极、PMOS管MP1的漏极、NMOS管MN2的栅极、PMOS管MP2的栅极和电容C1的下极板相连，电容C1的上极板形成基本差分整流单元的差分输入正端；NMOS管MN2的漏极、PMOS管MP2的漏极、NMOS管MN1的栅极、PMOS管MP1的栅极和电容C2的上极板相连，电容C2的下极板形成基本差分整流单元的差分输入负端；NMOS管MN1的源极和NMOS管MN2的源极接地；PMOS管MP1的源极、PMOS管MP2的源极和电容Co1的上极板相连后，形成基本差分整流单元的输出端；电容Co1的下极板接地。
每个使能差分整流单元由NMOS管MN3、MN4、SW1，PMOS管MP3、MP4，以及电容C3、C4、Co2构成；NMOS管MN3的漏极、PMOS管MP3的漏极、NMOS管MN4的栅极、PMOS管MP4的栅极和电容C3的下极板相连，电容C3的上极板形成使能差分整流单元的差分输入正端；NMOS管MN4的漏极、PMOS管MP4的漏极、NMOS管MN3的栅极、PMOS管MP3的栅极和电容C4的上极板相连，电容C4的下极板形成使能差分整流单元的差分输入负端；NMOS管MN3的源极、NMOS管MN4的源极和NMOS管SW1的源极相连；NMOS管SW1的漏极形成使能差分整流单元的输入端；NMOS管SW1的栅极形成使能差分整流单元的使能端；PMOS管MP3的源极、PMOS管MP4的源极和Co2的上极板相连后，形成使能差分整流单元的输出端；Co2的下极板接地。
每个控制单元由PMOS管MS1构成；PMOS管MS1的栅极形成控制单元的控制端，PMOS管MS1的源极形成控制单元的输入端，PMOS管MS1的漏极形成控制单元的输出端。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、在使能差分整流单元中，采用地端关断使能控制，让使能差分整流单元的关断功耗降低，有利于提高效率。
2、可根据输入射频信号的功率强弱控制整流器的阶数，使整流器在较宽的输入功率范围内保持较高的转换效率。
3、具有很强的实用性，可广泛应用于射频能量收集系统中，且适用的射频输入功率PIN范围较宽。在三阶理想情况下，转换效率PCE≥50％所对应的射频输入功率PIN范围在-26.5dBm≤PIN≤-7.5dBm，跨度达19dB，且在此射频输入功率范围内平均PCE约为65％，关断功耗为-33dBm，比传统方法降低了24.5dBm。
4、电路可扩展性强，如果需要进一步提高输出电压，可在整流器后级级联具有相同功能的连接方式和电路参数的使能差分整流单元和控制电路。
附图说明
图1为一种阶数可控的CMOS多阶(n阶)射频整流器的原理框图。
图2为一种阶数可控的CMOS多阶(n阶)射频整流器的电路图。
图3为一种阶数可控的CMOS多阶(3阶)射频整流器的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1和图2，一种阶数可控的CMOS多阶射频整流器，包括1个基本差分整流单元、n-1个使能差分整流单元和n个控制单元。基本差分整流单元作为多阶射频整流器的第1阶，用于将输入的交流电转化为直流电，并为后续使能差分整流单元供能。n-1个使能差分整流单元形成多阶射频整流器的第2至第n阶，每个使能差分整流单元包括4个整流管和1个使能管。整流管用于将输入的交流电转化为直流电，直流电经过滤波电容之后可以使输出端具有稳定的电压。使能管用于控制整流器通路。当使能管导通时，整流器通路导通，整流器正常工作，当使能管关闭时，整流器通路关断，整流器实现关断。控制单元在控制信号的控制下，对各级输出进行控制，控制单元与使能差分整流单元中的使能管一起配合，实现多阶整流器的工作阶数可控。
本发明所涉及的阶数可控整流器可控性强，根据输出电压需求，可扩展成n阶阶数可控整流器，以实现最大功率工作。扩展之后的整流器，第一阶为基本差分整流电路，第二阶、第三阶和扩展之后的每一阶整流单元均为使能差分整流单元。从第二阶开始的每一阶的漏端使能开关为SW1、SW2、…SWn-1、对应使能信号Ctr1、Ctr2、…Ctrn-1，从第一阶开始，每一阶的输出控制开关为MS1、MS2、…MSn、对应控制信号OCtr1、OCtr2、…OCtrn，对应输出整流信号Vout1、Vout2、…Voutn。基本差分整流电路连接方式不变，扩展之后具有使能功能的差分整流电路的连接方式与原连接方式相同。级联之后每一个整流单元的输出端具有可控输出支路，以得到不同阶数工作下的输出。
控制单元通过±1.8v的控制信号，来控制具有使能管的多阶整流器的使能管的工作状态和级联之后差分整流器单元的输出开关的导通或者截止，输出开关包括PMOS开关，尺寸和其他PMOS管相同尺寸为18μm/0.18μm。当使能管栅极电压1.8v时，使能管导通，整流器单元正常工作，当使能管栅极电压-1.8v时，整流器单元关断。当确定了工作阶数时，该阶输出开关导通，其他阶的输出开关截止。
工作阶数、使能信号Ctr和控制信号OCtr的关系如表1所示，其中1表示控制电压高电平；0表示控制信号低电平：
表1
本发明通过级联实现了一种阶数可调的整流器结构。通过对使能差分整流单元和普通整流器单元的级联，并根据输入源VRF的能量大小选择工作阶数，实现最大效率工作，其第一阶是普通差分整流单元，第二、三阶是使能差分整流单元。第二、三阶的源端的使能管采用NMOS，输出开关控制采用PMOS，每一阶整流单元都有一个可控制的输出支路，一个PMOS做控制开关。
本发明的输出电压可调，其调节方式是通过控制使能管的使能或截止状态和输出开关的导通或截止状态，来控制对应的整流单元的工作状态和输出。使能管导通时对应整流单元整流工作，使能管截止时，对应整流单元截止，因此，级联之后的阶数可调差分整流器可以实现一阶工作，两阶工作，三阶工作、……、n阶工作等多种工作模式，并通过每一阶输出单元后的输出支路得到输出。
本发明通过级联实现工作阶数可调的整流器电路，其级联阶数可以进行扩展，其扩展逻辑是第一阶是普通差分整流器单元，后面均是具有使能功能的差分整流器单元，根据输入VRF能量大小确定工作阶数之后，该阶之后的整流器的使能管均截止，且输出支路控制开关截止，该阶之前的整流器使能管均导通，且输出支路开关均截止，该阶的使能管导通，且该阶的输出支路控制开关导通。
本发明使能差分整流单元的连接特点是接地端关断的差分驱动CMOS新型整流电路，使能管采用NMOS，使能管源极和衬底短接，漏极和GND相连。这一新型结构能够在使能管导通时PCE基本同传统结构一致时，在使能管关断时较大的降低关断功耗POFF。基于差分驱动CMOS整流器的新型使能电路，通过地端控制的接入，降低整流器的关断功耗，以及主要解决现有技术关断功耗较大的问题。
图3为一种阶数可控的CMOS多阶(3阶)射频整流器，包括1个基本差分整流单元、2个使能差分整流单元和3个控制单元。
基本差分整流器单元由NMOS管MN1、MN2，PMOS管MP1、MP2，电容C1、C2、Co1构成。所有NMOS管的尺寸为3.6μm/0.18μm，所有PMOS的尺寸为18μm/0.18μm，所有电容容值为1.13pF。整流器单元的差分输入端分别为RF+和RF-，输出端接CO1。MN1、MN2、MP1、MP2、C1和C2组成了基本差分CMOS整流器，Co1为输出端的滤波电容。MN1、MN2、MP1、MP2均是衬底和源极相连，MN1的漏极、MP1的漏极、MN2的栅极、MP2的栅极和C1的下极板相连，MN2的漏极、MP2的漏极、MN1的栅极、MP1的栅极和C2的上极板相连，MN1的源极、MN2的源极和地端相连，MP1的源极、MP2的源极、Co1的上极板相连。Co1的下极板接GND。射频输入信号分别接在C1的上极板和C2的下极板。
在基本差分整流电路中，当RF+端电位为负值时，VX1也为负值，由于信号是差分输入，RF-端为正值，VY1也为正值，此时，MN1和MP2导通，MN2和MP1截止。一方面电流从GND端流经MN1给C1充电，另一方面C2上的电荷经过MP2向负载放电；当RF+端电位为正值时，VX1也为正值，由于信号是差分输入，RF-端为负值，VY1也为负值，此时，MN2和MP1导通，MN1和MP2截止。一方面电流从GND端流经MN2给C2充电，另一方面C1上的电荷经过MP1向输出放电。输出端Co1起滤波作用，整流器实现交流转直流功能。
第一使能差分整流单元由MOS管MN3、MN4、SW1，PMOS管MP3、MP4，电容C3、C4、Co2构成。所有NMOS管的尺寸为3.6μm/0.18μm，所有PMOS的尺寸为18μm/0.18μm，所有电容容值为1.13pF。整流器单元的差分输入端分别为RF+和RF-，输出端接CO2。使能管单元包括NMOS开关SW1。SW1的尺寸和MN1、MN2的尺寸相同，即3.6μm/0.18μm。SW1的衬底和源极短接，SW1的栅极接使能控制信号。控制信号决定了SW1的开关状态，进而决定了整流器的开关状态。MN3、MN4、MP3、MP4、C3和C4组成了差分驱动CMOS整流器，SW1为使能管，Co2为输出端的滤波电容。MN3、MN4、MP3、MP4和SW1均是衬底和源极相连，MN3的漏极、MP3的漏极、MN4的栅极、MP4的栅极和C3的下极板相连，MN4的漏极、MP4的漏极、MN3的栅极、MP3的栅极和C4的上极板相连，MN3的源极、MN4的源极和SW1的源极相连，MP3的源极、MP4的源极和Co2的上极板相连。SW1的漏极接前一阶输出或者GND，Co2的下极板接GND。SW1的栅极接使能控制信号，射频输入信号分别接在C3的上极板和C4的下极板。
在第一使能差分整流单元中，当加在SW1上的使能信号有效时，SW1导通，GND端电位传到MN3和MN4的源极。当RF+端电位为负值时，VX2也为负值，由于信号是差分输入，RF-端为正值，VY2也为正值，此时，MN3和MP4导通，MN4和MP3截止。一方面电流从GND端流经SW1和MN3给C3充电，另一方面C4上的电荷经过MP4向负载放电；当RF+端电位为正值时，VX2也为正值，由于信号是差分输入，RF-端为负值，VY2也为负值，此时，MN4和MP3导通，MN3和MP4截止。一方面电流从GND端流经SW1和MN4给C4充电，另一方面C3上的电荷经过MP3向输出放电。输出端Co2起滤波作用，整流单元实现交流转直流功能。当加在SW1上的使能信号无效时，SW1截止，当RF+端电位为负值时，VX2也为负值，由于信号是差分输入，RF-端为正值，VY2也为正值，此时，MN3和MP4导通，MN4和MP3截止，MN3中无电流，C3没有完成充电过程，C4没有完成放电过程；当RF+端电位为正值时，VX2也为正值，由于信号是差分输入，RF-端为负值，VY2也为负值，此时，MN4和MP3导通，MN3和MP4截止，MN4中无电流，C3没有完成充电过程，C4没有完成充电过程。在一个周期内，C3和C4都没有完成充电过程，也就无法给输出放电，整流器停止工作。
第二使能差分整流单元由MOS管MN5、MN6、SW2，PMOS管MP5、MP6，电容C5、C6、Co3构成。所有NMOS管的尺寸为3.6μm/0.18μm，所有PMOS的尺寸为18μm/0.18μm，所有电容容值为1.13pF。MN5、MN6、MP5、MP6、C5和C6组成了差分驱动CMOS整流器，SW2为使能管，Co3为输出端的滤波电容。MN5、MN6、MP5、MP6和SW2均是衬底和源极相连，MN5的漏极、MP5的漏极、MN6的栅极、MP6的栅极和C5的下极板相连，MN6的漏极、MP6的漏极、MN5的栅极、MP5的栅极和C6的上极板相连，MN5的源极、MN6的源极和SW2的源极相连，MP5的源极、MP6的源极和Co3的上极板相连。SW2的漏极接GND，Co3的下极板接GND。SW2的栅极接使能控制信号，射频输入信号分别接在C5的上极板和C6的下极板。
在第二使能差分整流单元中，当加在SW2上的使能信号有效时，SW2导通，GND端电位传到MN5和MN6的源极。当RF+端电位为负值时，VX3也为负值，由于信号是差分输入，RF-端为正值，VY3也为正值，此时，MN5和MP6导通，MN6和MP5截止。一方面电流从GND端流经SW2和MN5给C5充电，另一方面C6上的电荷经过MP6向负载放电；当RF+端电位为正值时，VX3也为正值，由于信号是差分输入，RF-端为负值，VY3也为负值，此时，MN6和MP5导通，MN5和MP6截止。一方面电流从GND端流经SW2和MN6给C6充电，另一方面C5上的电荷经过MP5向输出放电。输出端Co3起滤波作用，整流器实现交流转直流功能。当加在SW2上的使能信号无效时，SW2截止，当RF+端电位为负值时，VX3也为负值，由于信号是差分输入，RF-端为正值，VY3也为正值，此时，MN5和MP6导通，MN6和MP5截止，MN5中无电流，C5没有完成充电过程；当RF+端电位为正值时，VX3也为正值，由于信号是差分输入，RF-端为负值，VY3也为负值，此时，MN6和MP5导通，MN5和MP6截止，MN6中无电流，C6没有完成充电过程。在一个周期内，C5和C6都没有完成充电过程，也就无法给输出放电，整流器停止工作。
第一控制单元由PMOS管MS1构成，MS1栅极连接控制信号，源极连接基本差分整流单元的输出滤波电容CO1上极板，衬底连接漏端，漏端输出。
第二控制单元由PMOS管MS2构成，MS2栅极连接控制信号，源极连接使能差分整流单元的输出滤波电容Co2上极板，衬底连接MS2的漏端，漏端输出。
第三控制单元由PMOS管MS3构成，MS3栅极连接控制信号，源极连接使能差分整流单元的输出滤波电容CO3上极板，衬底连接MS3的漏端，漏端输出。
当只需要一级整流单元工作时，Ctr1、Ctr2、OCtr1低电平，OCtr2、OCtr3高电平，MS1导通，SW1、SW2、MS2、MS3关断，第二级第三级关断状态停止工作，通过MS1的Vout1输出；当需要两级整流单元工作时，Ctr1、OCtr1、OCtr3高电平，Ctr2、OCtr2低电平，SW1、MS2导通，SW2、MS1、MS3关断，通过MS2的Vout2输出；当需要三级整流器单元工作时，Ctr1、Ctr2、OCtr1、OCtr2高电平，OCtr3低电平，SW1、SW2、MS3导通，MS1、MS2关断，通过MS3的Vout3输出。
本发明能够显著降低整流器的关断功耗，为多阶整流器低功耗待机提供一种参考方案。此外，具有使能功能的整流器在使能时具有较高的PCE，在关断时具有较低的POFF。电路结构简单，设计容易，版图面积小，降低生产成本。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种阶数可控的CMOS多阶射频整流器，包括多阶射频整流器本体，其特征是，包括1个基本差分整流单元、n-1个使能差分整流单元和n个控制单元；其中n为大于等于1的正整数；
基本差分整流单元由NMOS管MN1、MN2，PMOS管MP1、MP2，以及电容C1、C2、Co1构成；NMOS管MN1的漏极、PMOS管MP1的漏极、NMOS管MN2的栅极、PMOS管MP2的栅极和电容C1的下极板相连，电容C1的上极板形成基本差分整流单元的差分输入正端；NMOS管MN2的漏极、PMOS管MP2的漏极、NMOS管MN1的栅极、PMOS管MP1的栅极和电容C2的上极板相连，电容C2的下极板形成基本差分整流单元的差分输入负端；NMOS管MN1的源极和NMOS管MN2的源极接地；PMOS管MP1的源极、PMOS管MP2的源极和电容Co1的上极板相连后，形成基本差分整流单元的输出端；电容Co1的下极板接地；
每个使能差分整流单元由NMOS管MN3、MN4、SW1，PMOS管MP3、MP4，以及电容C3、C4、Co2构成；NMOS管MN3的漏极、PMOS管MP3的漏极、NMOS管MN4的栅极、PMOS管MP4的栅极和电容C3的下极板相连，电容C3的上极板形成使能差分整流单元的差分输入正端；NMOS管MN4的漏极、PMOS管MP4的漏极、NMOS管MN3的栅极、PMOS管MP3的栅极和电容C4的上极板相连，电容C4的下极板形成使能差分整流单元的差分输入负端；NMOS管MN3的源极、NMOS管MN4的源极和NMOS管SW1的源极相连；NMOS管SW1的漏极形成使能差分整流单元的输入端；NMOS管SW1的栅极形成使能差分整流单元的使能端；PMOS管MP3的源极、PMOS管MP4的源极和Co2的上极板相连后，形成使能差分整流单元的输出端；Co2的下极板接地；
基本差分整流单元和所有使能差分整流单元的差分输入正端接正射频信号RF+，基本差分整流单元和所有使能差分整流单元的差分输入负端接负射频信号RF-；每个使能差分整流单元的使能端接使能信号；基本差分整流单元的输出端接第一使能差分整流单元的输入端，前一使能差分整流单元的输出端接后一使能差分整流单元的输入端；第一控制单元的控制端接第一控制信号OCtr1，第一控制单元的输入端接基本差分整流单元的输出端，第一控制单元的输出端输出整流信号Vout1；第i控制单元的控制端接第i控制信号OCtri，第i控制单元的输入端接第i-1使能差分整流单元的输出端，第i控制单元的输出端输出整流信号Vouti，其中i=2，3，n。
2.根据权利要求1所述的一种阶数可控的CMOS多阶射频整流器，其特征是，每个控制单元由PMOS管MS1构成； PMOS管MS1的栅极形成控制单元的控制端，PMOS管MS1的源极形成控制单元的输入端，PMOS管MS1的漏极形成控制单元的输出端。
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