CN115912915B - 一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元 - Google Patents

一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，包括Boost转换器、冷启动电路、MPPT电路、脉冲产生电路、基准电路、输入电压检测电路以及输出电压控制电路；Boost转换器用于抬升整流器电压；冷启动电路用于启动能量采集系统并为控制电路提供稳定电压；MPPT电路用于调节转换器阻抗实现最大功率追踪；脉冲产生电路用于产生不同模式所需的信号；基准电路用于对整个电路提供参考电压和参考电流；输入电压检测电路用于检测Boost转换器的输入电压；输出电压控制电路用于稳定输出电压，针对低输入功率提出Boost转换器损耗模型，既降低了系统功耗，也提高了在宽功率范围内的转换效率。

Description

一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元
技术领域
本发明涉及数模混合集成电路技术领域，特别是涉及一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元。
背景技术
随着物联网智能节点的低功耗发展，使用能量采集技术实现物联网节点的自维持供电是未来的发展趋势，由于射频能量来源较为丰富，有关射频能量采集技术的研究逐渐成为了近年来的热点之一，但是射频能量的功率密度非常低，低功率下电源管理单元的性能会直接影响射频能量采集系统的效率，因此，研究低功率、高效率的电源管理单元，对于通过射频能量采集系统，实现物联网节点的自供电至关重要。
射频能量的功率密度非常低，因此电源管理单元需要在低功率条件下进行特殊设计，使能量采集系统能够在尽可能低的输入功率下开始工作，对周围的射频能量进行高效率采集，并存储到储能单元中，为了满足不同的电子设备的要求，针对低功耗、高效率的电源管理单元的改善技术被大量提出。
目前，超低功耗电源管理单元的基本结构主要分为两种，第一种是基于开关电容转换器的电源管理单元，该结构由于开关电容注重较小尺寸和全集成，使得负载能力较弱，从而导致效率较低；第二种是基于变压器的转换器单元，该结构虽然有较强的负载能力，但是采用分立器件会造成尺寸较大，且输出功率增加时效率会降低；所以现有电源管理单元具有功耗大、效率低以及灵敏度低的缺点。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，包括可变电压源VREC和可变电阻RREC，用于等效整流器的输出；Boost转换器，用于对输出电压进行转换，并且稳定到额定的电压；控制电路，用于产生各种控制信号来控制开关管的状态；
控制电路还包括
脉冲产生电路，包括脉冲产生Φ1电路和零电流检测Φ2电路，脉冲产生Φ1电路用于在冷启动模式时使得Boost转换器开始启动，且根据不同输入电压来调节Φ1的脉冲宽度；Boost转换器在启动完成后工作在非连续导通模式，零电流检测Φ2电路用于控制Φ2的脉冲宽度；
冷启动电路，用于启动电源管理单元并为控制电路提供具有能量负载的稳定电压VCP，以及产生CSCTRL信号来控制开关管和零电流检测Φ2电路；
基准电路，用于对整个电路提供参考电压VREF和参考电流IREF；
振荡器，用于产生驱动脉冲产生Φ1电路的时钟信号CLK；
MPPT电路，用于调节转换器的输入电压VIN，使该输入电压维持在最大功率点；还用于产生用于调节振荡器频率的控制信号fCTRL、用于判断MPPT电路采样信号是否有效的控制信号MPPSELN和MPPSEL；
输入电压检测电路，用于检测Boost转换器的输入电压VIN以对开关尺寸和导通时间进行调节；
输出电压控制电路，用于稳定输出电压VOUT到所需要的电压范围。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，Boost转换器包括开关S1、开关S2、开关S3、电感L、电容CIN、电容COUT、开关管N型场效应晶体管N0、开关管P型场效应晶体管P0、开关管P型场效应晶体管P1以及开关管P型场效应晶体管P2；
开关S1与开关S3串连，开关S3与电感L串联；电容CIN的正极连接于开关S3与电感L之间，负极接地；开关管N型场效应晶体管N0的漏极连接开关S1，栅极连接脉冲产生Φ1电路产生的Φ1(1:0)信号，源极接地；
开关管P型场效应晶体管P0和开关管P型场效应晶体管P1的源极均与开关管N型场效应晶体管N0的漏极相连；开关管P型场效应晶体管P1的栅极接冷启动控制信号CSCTRL，漏极与P型场效应晶体管P2的源极相连；P型场效应晶体管P2的栅极与自身漏极相连后连接到开关管P型场效应晶体管P0的漏极，开关管P型场效应晶体管P0的栅极连接零电流检测Φ2电路产生的信号Φ2(1:0)，电容COUT正极接开关S2和开关管P型场效应晶体管P0的漏极，负极接地；
开关S3由NMOS管和PMOS管形成的传输门结构组成，其中NMOS管由控制信号MPPSELN控制，PMOS管由控制信号MPPSEL控制。
前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，MPPT电路包括采样电路和功能电路，采样电路用于对整流器输出进行周期性的采样，以此来确定当前时刻整流器的最大输出功率点；功能电路用于在采样结束后对Boost转换器的输入阻抗进行调节，以此来确定转换器的工作频率。
前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，基准电路包括亚阈值电压基准和电流基准，亚阈值电压基准用于给输入电压检测电路和输出电压控制电路提供参考电压，电流基准用于给振荡器和输出电压控制电路提供基准单流。
前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，输入电压检测电路采用CMOS亚阈值电压检测电路，用于对Boost 转换器的输入电压进行检测，且产生用于对开关尺寸和导通时间进行调节控制信号VD<1:0>。
前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，振荡器包括两个反相器和电流控制字B<5:0>，其中一反相器包括PMOS管MI1、NMOS管MI2以及负载电容C1，另一反相器包括PMOS管MI3、NMOS管MI4以及负载电容C2，电流控制字B<5:0>控制对负载电容C1和负载电容C2的充电电流，互补的时钟信号CLK和CLKN控制负载电容C1和负载电容C2的放电，由电流饥饿型的SR锁存器构成两相非交叠时钟并产生时钟信号。
前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，输入电压检测电路包括PMOS管M1和NMOS管M2，PMOS管M1的栅极连接Vbias1；NMOS管M2的栅极连接Vbias2，漏极连接PMOS管M1的漏极；Vbias2的值低于NMOS管M2的阈值电压，且两者差值在100~200mV之间。
本发明的有益效果是：
本发明中，采用Boost转换器、冷启动电路、MPPT电路、脉冲产生电路、基准电路、输入电压检测电路以及输出电压控制电路，射频能量信号通过天线接收，经过阻抗匹配和整流器后转换成直流电压，再由Boost转换器进行电压转换，将整流器的电压稳定到额定电压，控制电路通过冷启动模块在低电压下进行启动，保证能量采集系统的自主工作；
在系统正常工作后，由MPPT电路对输入端能量源和输出端的存储单元的电压进行采样，以此来调节Boost转换器的工作状态，基准电路为其他模块提供基准电压和基准电流；在250mV的输入电压下实现整体电路的冷启动，输出电压稳定在1.1V，电路启动后，在空载情况下，维持电源管理单元工作时的功耗为5.4nW，在输入功率为30nW时，可以实现大于65%的转换效率，峰值转换效率可以达到96%，从而通过使Boost转换器工作在非同步整流模式来降低冷启动过程的功耗，提高了射频能量采集的灵敏度；还提出了基于栅极补偿MOS管阈值电压温度系数的亚阈值电流基准和基于亚阈值设计的低功耗电压检测电路，降低了控制电路功耗的功耗，改善了低输入功率下的转换效率既降低了系统功耗，也优化了在宽功率范围内的转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例中电源管理单元的整体框图；
图2为本发明实施例中电源管理单元的整体结构示意图；
图3为本发明实施例中频率可调电流饥饿型振荡器结构示意图；
图4为本发明实施例中电流饥饿型SR锁存器两相非交叠时钟产生示意图；
图5为本发明实施例中高频与低频振荡器结构选择示意图；
图6为本发明实施例中低频振荡器和高频振荡器的振荡器频率与电流控制字的关系仿真图；
图7为本发明实施例中超低功耗基准电流源整体原理框图；
图8为本发明实施例中超低功耗基准电流源电路示意图；
图9为本发明实施例中工艺角补偿原理图；
图10为本发明实施例中输入电压检测电路的原理示意图；
图11为本发明实施例中输入电压检测电路在温度-20~100℃范围内的输入输出特性曲线图；
图12为本发明实施例中电源管理单元各个模块的功耗仿真图；
图13为本发明实施例中电源管理单元转换效率和输入功率的前仿结果图；
图14为本发明实施例中电源管理单元转换效率和输入电压的前仿结果图。
具体实施方式
本实施例提供的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，如图1所示，包括Boost转换器和控制电路，控制电路包括冷启动电路、MPPT电路、脉冲产生电路、基准电路、输入电压检测电路以及输出电压控制电路。
Boost转换器用于将整流器的输出电压进行抬升；冷启动电路用于启动能量采集系统，并为控制电路提供具有一定能量负载的稳定电压VCP；MPPT电路用于调节转换器输入电压VIN维持在最大功率点；脉冲产生电路用于产生不同模式所需的信号；基准电路用于对整个电路提供参考电压VREF和参考电流IREF；输入电压检测电路用于检测Boost转换器的输入电压VIN，从而对开关尺寸和导通时间进行调节；输出电压控制电路用于稳定输出电压VOUT到所需要的电压范围。
如图2所示，Boost转换器包括开关S1、开关S2、开关S3、电感L、电容CIN、电容COUT、开关管N型场效应晶体管N0、开关管P型场效应晶体管P0、开关管P型场效应晶体管P1、开关管P型场效应晶体管P2和地GND，以及控制电路产生的控制信号；
开关S1与开关S3串连，开关S3与电感L串联；电容CIN的正极连接于开关S3与电感L之间，负极接地；开关管N型场效应晶体管N0的漏极连接开关S1，栅极连接脉冲产生Φ1电路产生的Φ1(1:0)信号，源极接地；
开关管P型场效应晶体管P0和开关管P型场效应晶体管P1的源极均与开关管N型场效应晶体管N0的漏极相连；开关管P型场效应晶体管P1的栅极接冷启动控制信号CSCTRL，漏极与P型场效应晶体管P2的源极相连；P型场效应晶体管P2的栅极与自身漏极相连后连接到开关管P型场效应晶体管P0的漏极，开关管P型场效应晶体管P0的栅极连接零电流检测Φ2电路产生的信号Φ2(1:0)，电容COUT正极接开关S2和开关管P型场效应晶体管P0的漏极，负极接地；
开关S3由NMOS管和PMOS管形成的传输门结构组成，其中NMOS管由MPPT采样电路产生的控制信号MPPSELN控制，PMOS管由MPPT采样电路产生的控制信号MPPSEL控制。
可变电压源VREC和可变电阻RREC用来等效整流器的输出；Boost转换器对输出电压进行转换并且稳定到额定的电压；控制电路产生各种控制信号控制开关管的状态，其中包括冷启动电路、MPPPT电路、脉冲产生电路、输入电压检测电路、输出电压控制电路以及基准电路；冷启动电路用于启动电源管理单元，产生CSCTRL信号来控制开关管和零电流检测Φ2电路，同时对电容CCP进行充电。
VCP增大后，电流基准和电压基准开始工作，电流基准产生基准电流IREF连接到振荡器，使得振荡器产生时钟信号CLK驱动脉冲产生Φ1电路，控制开关管N型场效应晶体管N0的导通；VOUT上升到阈值电压后，CSCTRL为低，开关S1和开关管P型场效应晶体管P1断开，开关S2导通，整体控制电路由Boost转换器输出VOUT提供，输出电压控制电路比较输出电压分压与电压基准产生的电压VREF，控制脉冲产生电路的工作状态。
MPPT电路采集输入电压VIN与最大功率点电压做比较，产生控制信号fCTRL来调节振荡器的频率；输入电压检测电路将输入电压与电压基准VREF进行比较后，产生控制信号VD<1:0>，通过控制信号VD<1:0>来调节脉冲产生Φ1电路的脉冲宽度。
如图3至图5所示，为频率可调电流饥饿型振荡器的结构示意图，通过PMOS管MI1、NMOS管MI2、PMOS管MI3以及NMOS管MI4构成两个反相器，负载电容C1和负载电容C2分别为两个反相器的负载电容，B<5:0>为电流控制字，控制对负载电容的充电电流，互补的时钟信号CLK和CLKN控制负载电容的放电，由电流饥饿型的SR锁存器构成两相非交叠时钟并产生时钟信号。
如图6所示，为低频振荡器和高频振荡器的振荡器频率与电流控制字的关系仿真图，通过6-Bit数字码控制控制充电电流，低频振荡器的频率范围为10~579Hz，高频振荡器的频率范围为0.5~34KHz。
如图7和图8所示，为基准电流源原理图，该电流源基于栅极补偿CMOS管阈值电压温度系数，由工艺角补偿偏置电路、负温度系数产生电路以及电流基准输出级电路组成。
如图9所示，为工艺角补偿原理图，在不同工艺角下，MOS管阈值电压的变化率会随管子长度或者宽度的增加而减小，采用工艺角偏置补偿电路合理选择PMOS管M1和NMOS管M2的类型和尺寸，达到不同工艺角下电压输出恒定的效果。
如图10所示，为输入电压检测电路的原理示意图，输入电压检测电路包括PMOS管M1和NMOS管M2，Vbias1与PMOS管M1的栅极连接，Vbias2与NMOS管M2的栅极连接，Vbias2的值远低于NMOS管M2的阈值电压，两者差值在100~200mV范围内，此时NMOS管M2的阈值电压范围为360~460mV，使得M2工作在亚阈值区。
如图11所示，为输入电压检测电路在TT 工艺角下以及温度-20~100℃范围内的输入输出特性曲线图，设置Vdetect<0>为300mV，在整个温度范围内，Vdetect<0>变化14mV，温度系数为0.117mV/℃；Vdetect<1>为600mV，在整个温度范围内，Vdetect<1>变化12mV，温度系数为0.1mV/℃；在温度为25℃、供电电压VIN为1V以及TT 工艺角下，输入电压检测电路每条支路的静态电流仅为40pA。
如图12所示，为在冷启动并且空载情况下，电源管理单元工作时各个模块的功耗占比图，通过采用数字结构的零电流检测和常开模块的亚阈值设计，电源管理单元的整体功耗为5.4nW，其中脉冲产生电路、开关宽度控制电路和驱动电路的功耗所占比重最大，为1.498nW；开关调制管通过增大MOS管的沟道长度来降低泄漏电流，泄露带来的损耗为0.153nW，从而将泄露功耗降低了7倍。
如图13所示，为电源管理单元在温度27℃、TT工艺角、不同内阻RREC时，转换效率和输入功率的关系图，在RREC=1KΩ，输入电压为0.66V时，峰值效率为96.69%。
如图14所示，为电源管理单元在温度27℃、TT工艺角、不同内阻RREC时，转换效率和输入电压的关系图，在输入功率为6.7nW时，电源管理单元尽可以正常工作实现电压转换，在输入功率为30nW时，可以实现大于65%的转换效率。
整个电源管理单元采用Boost转换器、冷启动电路、MPPT电路、脉冲产生电路、基准电路、输入电压检测电路以及输出电压控制电路，射频能量信号通过天线接收，经过阻抗匹配和整流器后转换成直流电压，再由Boost转换器进行电压转换，将整流器的电压稳定到额定电压，控制电路通过冷启动模块在低电压下进行启动，保证能量采集系统的自主工作；
在系统正常工作后，由MPPT电路对输入端能量源和输出端的存储单元的电压进行采样，以此来调节Boost转换器的工作状态，基准电路为其他模块提供基准电压和基准电流；在250mV的输入电压下实现整体电路的冷启动，输出电压稳定在1.1V，电路启动后，在空载情况下，维持电源管理单元工作时的功耗为5.4nW，在输入功率为30nW时，可以实现大于65%的转换效率，峰值转换效率可以达到96%，从而通过使Boost转换器工作在非同步整流模式来降低冷启动过程的功耗，提高了射频能量采集的灵敏度；还提出了基于栅极补偿MOS管阈值电压温度系数的亚阈值电流基准和基于亚阈值设计的低功耗电压检测电路，降低了控制电路功耗的功耗，改善了低输入功率下的转换效率既降低了系统功耗，也优化了在宽功率范围内的转换效率。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，其特征在于：包括可变电压源VREC和可变电阻RREC，用于等效整流器的输出；Boost转换器，用于对输出电压进行转换，并且稳定到额定的电压；控制电路，用于产生各种控制信号来控制开关管的状态；
控制电路还包括
脉冲产生电路，包括脉冲产生Φ1电路和零电流检测Φ2电路，脉冲产生Φ1电路用于在冷启动模式时使得Boost转换器开始启动，且根据不同输入电压来调节Φ1的脉冲宽度；Boost转换器在启动完成后工作在非连续导通模式，零电流检测Φ2电路用于控制Φ2的脉冲宽度；
冷启动电路，用于启动电源管理单元并为控制电路提供具有能量负载的稳定电压VCP，以及产生CSCTRL信号来控制开关管和零电流检测Φ2电路；
基准电路，用于对整个电路提供参考电压VREF和参考电流IREF；
振荡器，用于产生驱动脉冲产生Φ1电路的时钟信号CLK；
MPPT电路，用于调节转换器的输入电压VIN，使该输入电压维持在最大功率点；还用于产生用于调节振荡器频率的控制信号fCTRL、用于判断MPPT电路采样信号是否有效的控制信号MPPSELN和MPPSEL，其中采样信号对输入开路电压进行采样；
输入电压检测电路，用于检测Boost转换器的输入电压VIN以对开关尺寸和导通时间进行调节；
输出电压控制电路，用于稳定输出电压VOUT到所需要的电压范围；
Boost转换器包括开关S1、开关S2、开关S3、电感L、电容CIN、电容COUT、开关管N型场效应晶体管N0、开关管P型场效应晶体管P0、开关管P型场效应晶体管P1以及开关管P型场效应晶体管P2；
开关S1与开关S3串连，开关S3与电感L串联；电容CIN的正极连接于开关S3与电感L之间，负极接地；开关管N型场效应晶体管N0的漏极连接电感L，栅极连接脉冲产生Φ1电路产生的Φ1(1:0)信号，源极接地；
开关管P型场效应晶体管P0和开关管P型场效应晶体管P1的源极均与开关管N型场效应晶体管N0的漏极相连；开关管P型场效应晶体管P1的栅极接冷启动控制信号CSCTRL，漏极与P型场效应晶体管P2的源极相连；P型场效应晶体管P2的栅极与自身漏极相连后连接到开关管P型场效应晶体管P0的漏极，开关管P型场效应晶体管P0的栅极连接零电流检测Φ2电路产生的信号Φ2(1:0)，电容COUT正极接开关S2和开关管P型场效应晶体管P0的漏极，负极接地；
开关S3由NMOS管和PMOS管形成的传输门结构组成，其中NMOS管由控制信号MPPSELN控制，PMOS管由控制信号MPPSEL控制。
2.根据权利要求1所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，其特征在于：所述MPPT电路包括采样电路和功能电路，采样电路用于对整流器输出进行周期性的采样，以此来确定当前时刻整流器的最大输出功率点；功能电路用于在采样结束后对Boost转换器的输入阻抗进行调节，以此来确定转换器的工作频率。
3.根据权利要求1所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，其特征在于：所述基准电路包括亚阈值电压基准和电流基准，亚阈值电压基准用于给输入电压检测电路和输出电压控制电路提供参考电压，电流基准用于给振荡器和输出电压控制电路提供基准单流。
4.根据权利要求1所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，其特征在于：所述输入电压检测电路采用CMOS亚阈值电压检测电路，用于对Boost 转换器的输入电压进行检测，且产生用于对开关尺寸和导通时间进行调节控制信号VD<1:0>。
5.根据权利要求1所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，其特征在于：所述振荡器包括两个反相器和电流控制字B<5:0>，其中一反相器包括PMOS管MI1、NMOS管MI2以及负载电容C1，另一反相器包括PMOS管MI3、NMOS管MI4以及负载电容C2，电流控制字B<5:0>控制对负载电容C1和负载电容C2的充电电流，互补的时钟信号CLK和CLKN控制负载电容C1和负载电容C2的放电，由电流饥饿型的SR锁存器构成两相非交叠时钟并产生时钟信号。
6.根据权利要求1所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，其特征在于：所述输入电压检测电路包括PMOS管M1和NMOS管M2，PMOS管M1的栅极连接Vbias1；NMOS管M2的栅极连接Vbias2，漏极连接PMOS管M1的漏极；Vbias2的值低于NMOS管M2的阈值电压，且两者差值在100~200mV之间。
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CN115051567A (zh) * 2022-07-22 2022-09-13 上海杰瑞兆新信息科技有限公司 控制脉冲功率输出时输入电流恒定的高效率电路

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