CN111091862A - 基于磁性隧道结的非易失可编程储能元件阵列管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁性隧道结的非易失可编程储能元件阵列管理系统，本发明微控制器电路连接MTJ读电路和MTJ写电路；MTJ读电路和MTJ写电路连接MTJ阵列；MTJ读电路连接开关阵列中每个开关元件的控制端；开关阵列连接储能元件阵列以及系统的充电端和系统的放电端；系统的放电端和储能元件阵列连接模拟数字转换电路的输入端；模拟数字转换电路的输出端连接微控制器电路。本发明具有能源输出形式多样、抗辐射能力强、数据可靠性高等显著优势，并具有将能量存储与能量管理一体化集成的潜力，可大大降低目前能源系统的复杂性和所占空间，具有重要的应用价值。

Description

基于磁性隧道结的非易失可编程储能元件阵列管理系统

技术领域

本发明涉及一种能量存储与信息处理一体化的系统，旨在设计一种基于MTJ的非易失可编程储能元件阵列管理系统。

背景技术

能源系统在电路、机械、电器等行业的运作过程中起了至关重要的作用，它为机械和电路的运作提供了源源不断的能量。而目前的能源系统由储能元件、管理电路或系统两部分组成。

从电源管理的角度来讲：集成度最高的线性电源，结构简单，但效率低、不易调节；集成度很高的电荷泵方案的输出功率小功能有限；而采用感性器件构造的管理电路输出功率大，应用灵敏度高，但占用空间大，发热高，不易调节，且容易产生空间电磁波干扰。总结目前的主流技术方案可见，现有的管理电路或系统功能单一，输出形式有限且可调节性差，尤其是软件调节方面。此外，当前这种能量与管理 /控制电路相分离的能源系统集成度很差，占用空间大，系统复杂，容易发生故障。因而有必要研发一种能够实现电源与管理电路可集成于一体的、多功能的、多参数可调节输出的电源系统。

发明内容

本发明将针对现有储能元件与管控电路的功能单一、输出形式有限、可调节性差、集成度不高、系统复杂、容易发生故障的问题，提出了一种基于磁性隧道结的非易失可编程储能单元阵列管理系统。

本发明一种基于磁性隧道结的非易失可编程储能单元阵列管理系统，本发明微控制器电路根据外部输入的指令给MTJ读电路和MTJ 写电路传输指令。MTJ写电路可对阵列进行写操作，将微控制器电路发送的不同指令转换为MTJ的高、低电阻状态。MTJ读电路对MTJ阵列进行读操作，将MTJ的高、低电阻状态转换成高、低电平。MTJ 读电路的输出端连接开关阵列的控制端，MTJ阵列内存储的信息可以调节开关阵列呈现不同的电路节点连接状态。同时，开关阵列间不同的节点连接状态对应储能元件之间不同的串、并联连接关系，以此控制系统的放电端输出不同的电源输出形式。储能元件阵列的输出端和系统的放电端连接模拟数字转换电路的输入端，模拟数字转换电路的输出端连接到微控制器电路，该模拟数字转换电路将系统放电端和储能元件输出端的模拟电压值转换为微控制器所需的数字量，由此可实现各自输出电压的闭环控制。

作为优选，所述的MTJ单元直径为几十纳米的量级，相比于其他非易失存储器件具有更高集成化的潜力。

作为优选，所述的MTJ单元是由三层膜结构组成的薄膜器件，主要结构是由一层较薄的磁性材料(铁、镍、钴)作为自由层；非磁性绝缘金属的氧化物(氧化镁、氧化铜)作为隔离层；以及一层较厚的磁性材料(铁、镍、钴)作为固定层所组成。

作为优选，所述的MTJ写电路是通过控制流入MTJ单元的电流方向进而控制MTJ单元的阻值状态，MTJ写电路具有根据微控制器电路发送的写入指令，控制流入MTJ单元电流方向的功能；写电路所控制的电流是相对电流值，要保证流经MTJ单元的电流可以改变MTJ单元的自由层磁矩，同时也要保证固定层磁矩不会发生翻转，并且器件不会被击穿。

作为优选，述的MTJ读电路可以读取MTJ器件的电阻值状态，输出与电阻状态相对应的逻辑高低电平。

作为优选，所述的开关阵列是由控制储能元件连通状态的控制端可控的单刀双掷开关组成的，信号可控的单刀双掷开关有四个端口，分别是控制端、固定端、选择端口一和选择端口二；开关的控制端连接MTJ读电路，开关的固定端连接相邻的储能元件，开关的选择端口二连接开关阵列的总线，接地的单刀双掷开关的选择端口一与相邻的接信号线的单刀双掷开关的选择端口一连接，以此通过控制端的信号控制相邻储能元件间的串联和并联。

作为优选，所述的储能元件是电介质电容、超级电容或锂离子电池等可充放电的储能设备。

本发明相对现有技术所具有的有益效果：可以实现多种能源输出形式间的转换，例如交流电、直流电、三相电、脉冲方波电流间的转换，并可以实现不同输出参数的软件可编程调节，如常用的3.3V电压、5V电压以及12V电压间的输出，或者是不同占空比方波脉冲间输出等。从非易失可编程的实现方式上来看：基于MTJ的非易失存储相对于目前主流的其他存储方式(如Flash)具有读写速度快、可编程次数多(几乎无限次写入)、抗辐射能力强、数据可靠性高等显著优势。在系统层面上：本发明将能量存储、信息存储以及这中间的控制过程有机的结合在一起，最终可具有将能量存储与能量管理一体化集成的能力，可以大大降低目前能源系统的复杂性和所占空间，具有重要的应用价值。本发明的能源管理系统在未来能源微型化、可集成化的道路上可以提供重要的思路。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施电路的技术方案，下面将对本公开实施电路的附图作简单地介绍。

图1为非易失可编程储能元件阵列管理系统示意图；

图2为MTJ器件的截面图；

图3为控制开关阵列示意图。

其中：1、微控制器电路，2、MTJ阵列，3、MTJ读电路，4、 MTJ写电路，5、开关阵列，6、模拟数字转换电路，7、储能元件阵列，8、系统的放电端，9、系统的充电端，10、上电极，11、磁性自由层，12、磁性绝缘材料氧化物制备的隔离层，13、磁性固定层，14、下电极，15、储能元件，16、可控的单刀双掷开关，17、开关阵列的输出端和输入端，18、可控的单刀双掷开关的控制端，19、可控的单刀双掷开关的选择端口一，20、可控的单刀双掷开关的固定端，21、可控的单刀双掷开关的选择端口二，22、开关阵列总线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围

下面结合附图对本发明进行详细描述，以便本领域的技术人员能够更好地理解本发明。

实施例一是基于磁性隧道结(MTJ)的非易失可编程储能元件阵列管理系统的总电路示意图如图1所示，微控制器电路1、MTJ阵列 2、MTJ写电路3、MTJ读电路4、开关阵列5、模拟数字转换电路6、储能元件阵列7、放电端8、充电端9，微控制器电路1连接MTJ读电路4和MTJ写电路3，微控制器电路1根据外部输入的指令给MTJ 读电路4和MTJ写电路3传输指令；MTJ写电路3连接MTJ阵列2，对MTJ阵列2进行写操作，将不同的指令转换为MTJ阵列中每个单元的高、低电阻状态；MTJ读电路4输入端连接MTJ阵列2，对MTJ 阵列进行读操作，将MTJ阵列2中每个单元的高、低电阻状态转换成高、低电平；MTJ读电路输出端连接开关阵列5的控制端，使开关阵列5呈现不同的电路节点连接状态；开关阵列5连接储能元件阵列 7，其不同的节点连接状态对应储能元件之间的不同串并联连接关系；系统的充电端9和系统的放电端8与开关阵列相的总线连接，开关阵列5中的每个开关元件连接到开关阵列的总线上；系统的放电端为外接设备提供参数可调的放电接口，系统的充电端为储能元件阵列提供可快速充电的充电端口；储能元件阵列的输出端和系统的放电端连接模拟数字转换电路6的输入端，可实现各自输出电压的闭环控制；模拟数字转换电路的输出端连接到微控制器电路，将系统放电端和储能元件输出端的模拟电压值转换为微控制器电路所需的数字量。微控制器电路1可以外接显示设备和输入指令设备。

MTJ阵列2中的每个MTJ单元的横截面如示意图2所示，图中所示的磁材性料制备的自由层11、磁性绝缘材料氧化物制备的隔离层12，铁磁性材料制备的固定层13，MTJ单元的上电极层10，MTJ 单元的下电极层14。磁隧道结(MTJ)具有隧道磁阻效应(TMR)，这是指在这三层膜结构中，如果自由层11和固定层13的磁性极化方向平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性会更大，表现为器件阻值较小；如果自由层11和固定层13的磁性极化方向反平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性较小，表现为器件阻值较大。可通过改变通入器件电流的方向改变磁性隧道结中自由层11的磁矩方向，其原理是当电子流由自由层流向固定层时，电子与固定层中的磁矩发生交换耦合作用，使自旋平行于固定层13磁矩的电子通过，而自旋反平行于固定层磁矩的电子被反射，而此时的固定层13起到“滤波器”的作用，而被固定层13反射回自由层11的电子流，会渐渐影响自由层11磁矩的方向，直到自由层11的磁矩方向与固定层13磁矩方向反向平行，此时的MTJ磁电子器件将呈现高阻态；当电子流由固定层13流向自由层11时，与固定层13磁矩方向相同的自旋电子可以通过固定层 13流向自由层11，使自由层11的磁矩向着固定层13磁矩方向的方向转动，而此时的器件将呈现低阻态。磁性隧道结的固定层13较厚，电子流中的电子自旋矩不足以使固定层中的磁矩发生反转。

MTJ写电路3输出的流经MTJ器件的写入指令电流是保证不足以使器件的固定层13磁矩发生变化的，同时可以改变自由层11磁矩的相对电流值。这些电流值是由组成器件的材料及材料的厚度决定的。而控制流经MTJ器件的电流方向是微控制器电路发送给MTJ写电路的指令控制的。

MTJ读电路4发送的流经MTJ器件的读指令电流相对写入的电流值要小，不会改变MTJ单元自由层11的磁矩方向，同时可将MTJ 的高、低电阻状态转换成高、低电平。

开关阵列5和储能元件阵列7的组合电路如图3所示。图中所示的15指的是微储能元件，作为优选可以是电介质电容、超级电容或锂离子电池等。图中所示16指的是可控的单刀双掷开关，18为可控的单刀双掷开关的控制端口，该端口连接MTJ读电路，MTJ读电路传输的不同指令控制单刀双掷开关呈现不同的电路节点连接状态，单刀双掷开关的固定端20连接相邻的储能元件15，单刀双掷开关的选择端口二21连接开关阵列总线22，连接开关阵列总线22地线的单刀双掷开关的选择端口一19与相邻连接开关阵列总线22信号线的单刀双掷开关的选择端口一19相连。可控的单刀双掷开关不同的节点连接状态对应储能元件之间不同的串、并联连接关系。17为储能元件阵列的输入端和输出端，其上端接的是系统的充电端和放电端，下端接地。

以上所描述的仅为本公开的示例性的实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可进行各种变化或替换，这些变化或替换都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应由所附的权利要求确定。

Claims (4)

1.基于磁性隧道结的非易失可编程储能元件阵列管理系统，包括微控制器电路、MTJ阵列、MTJ写电路、MTJ读电路、模拟数字转换电路、开关阵列、储能元件阵列以及系统的充电端和放电端，其特征在于：

微控制器电路连接MTJ读电路和MTJ写电路，微控制器电路根据外部输入的指令给MTJ读电路和MTJ写电路传输指令；

MTJ写电路连接MTJ阵列，对MTJ阵列进行写操作，将不同的指令转换为MTJ阵列中每个单元的高、低电阻状态；

MTJ读电路输入端连接MTJ阵列，对MTJ阵列进行读操作，将MTJ阵列中每个单元的高、低电阻状态转换成高、低电平；

MTJ读电路输出端连接开关阵列的控制端，使开关阵列呈现不同的电路节点连接状态；

开关阵列连接储能元件阵列，其不同的节点连接状态对应储能元件之间的不同串并联连接关系；

系统的充电端和系统的放电端与开关阵列相的总线连接，开关阵列中的每个开关元件连接到开关阵列的总线上；系统的放电端为外接设备提供参数可调的放电接口，系统的充电端为储能元件阵列提供可快速充电的充电端口；

储能元件阵列的输出端和系统的放电端连接模拟数字转换电路的输入端，可实现各自输出电压的闭环控制；

模拟数字转换电路的输出端连接到微控制器电路，将系统放电端和储能元件输出端的模拟电压值转换为微控制器电路所需的数字量。

2.根据权利要求1所述的基于磁性隧道结的非易失可编程储能元件阵列管理系统，其特征在于：所述的MTJ写电路是通过控制流入MTJ单元的电流方向进而控制MTJ单元的阻值状态，MTJ写电路具有根据微控制器电路发送的写入指令，控制流入MTJ单元电流方向的功能；写电路所控制的电流是相对电流值，要保证流经MTJ单元的电流可以改变MTJ单元的自由层磁矩，同时也要保证固定层磁矩不会发生翻转，并且器件不会被击穿。

3.根据权利要求1所述的基于磁性隧道结的非易失可编程储能元件阵列管理系统，其特征在于：所述的MTJ读电路可以读取MTJ器件的电阻值状态，输出与电阻状态相对应的逻辑高低电平。

4.根据权利要求1所述的基于磁性隧道结的非易失可编程储能元件阵列管理系统，其特征在于：所述的开关阵列是由控制储能元件连通状态的控制端可控的单刀双掷开关组成的，信号可控的单刀双掷开关有四个端口，分别是控制端、固定端、选择端口一和选择端口二；开关的控制端连接MTJ读电路，开关的固定端连接相邻的储能元件，开关的选择端口二连接开关阵列的总线，接地的单刀双掷开关的选择端口一与相邻的接信号线的单刀双掷开关的选择端口一连接，以此通过控制端的信号控制相邻储能元件间的串联和并联。

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