CN203859576U - 片上集成太阳能电池供电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于太阳能技术领域，为提高片上供电系统的整体效率，为射频识别、无线传感网络节点等微功耗系统提供持久、稳定的能源供给，为此，本实用新型采用的技术方案是，片上集成太阳能电池供电系统，包括：一组太阳能电池单元，并采用金属互连工艺实现并行连接；一个能量收集模块，该模块包括环形振荡器、多级串联的电荷泵和一个储能电容；一个控制电路；一个线性稳压器，包括启动电路、带隙基准和运算放大器，其作用是为负载电路提供稳定的工作电压VDD。本实用新型主要应用于太阳能电池的设计制造。

Description

片上集成太阳能电池供电系统
技术领域
本实用新型属于太阳能技术领域，涉及一种与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的片上太阳能电池，以及集成片上太阳能电池的电源管理系统，具体讲，涉及片上集成太阳能电池供电系统。
背景技术
随着全球生态环境不断恶化，传统石化能源的日益短缺，迫切需要一种清洁、无污染且供给丰富的新能源来推动人类文明和社会经济的持续发展，这已成为世界各国持续关注和不断探索的科学问题之一。
目前，学术界已报道了采用机械振动、温度梯度及太阳能等多种能量获取方式。与其他能量获取方式相比，以光作为能量来源的太阳电池转换效率高、技术成熟，无需交流-直流转换，是一种取之不尽、用之不竭的绿色环保能源。当前，太阳能电池已占据了新型绿色能源市场的绝大多数份额。
得益于CMOS电路低功耗技术的不断进步，对于射频识别标签和无线传感网络节点等周期性工作的微系统而言，芯片的总体功耗可控制在～百微瓦附近。因此，对于这样的微功耗系统而言，利用太阳能实现系统能量的自动获取成为可能。虽然采用常规的分立太阳能电池单元和电源管理电路可实现电子系统能源的自供给，但常规太阳能电池的制造工艺决定其无法与CMOS电路系统单片集成，因而整体系统的体积大、成本高，难以适应微型化的发展需求。
若采用与标准CMOS工艺兼容的微型太阳能电池与电源管理电路和微功耗系统单片集成，即可实现片上供电，降低系统体积和成本，又使系统的集成度和功能不断提高。然而，受硅基标准CMOS工艺的限制，片上太阳能电池的衬底寄生二极管的反向泄漏损耗显著，目前还难以找出有效的隔离方法消除衬底影响。因此，基于标准CMOS工艺实现的微型太阳能电池多采用单元并联方式提高输出功率，因而开路输出电压较低（通常在0.5V附近）。此外，太阳能电池的输出特性具有非线性，其输出功率受光照强度、环境温度及负载情况的影响，因而采用太阳能电池难以直接驱动后继负载电路的工作，需要在其后增加电源管理电路，实现稳定的输出电压。
发明内容
为克服现有技术的不足，提高片上供电系统的整体效率，为射频识别、无线传感网络节点等微功耗系统提供持久、稳定的能源供给，为此，本实用新型采用的技术方案是，片上集成太阳能电池供电系统，包括：
一组太阳能电池单元，该太阳能电池单元由标准CMOS工艺制备，并采用金属互连工艺实现并行连接；
一个能量收集模块，该模块包括环形振荡器、多级串联的电荷泵和一个储能电容，其作用是将片上太阳能电池的输出电压升高，并将能量存储在储能电容CS中；
一个控制电路，其作用是监控储能电容两端的电压VS，在储能电压VS被提升到门限电压VH之前，控制电路的开关断开，储能电容CS中断向后继电路提供能量，当储能电压VS达到门限电压VH时，控制电路的开关闭合，储能电容CS通过线性稳压器给负载电路提供稳定的工作电压VDD；当储能电容CS的能量泄放完毕后，控制电路的开关断开，储能电容CS重新开始充电，重复上述过程；
一个线性稳压器，包括启动电路、带隙基准和运算放大器，其作用是为负载电路提供稳定的工作电压VDD。
根据太阳能供电系统所驱动微系统的功耗和工作周期，储能电容CS可用片上集成的MOS电容、PN结电容或MIM电容实现，也可选用片外的传统电容器。
根据负载电路工作电压VDD的大小，调节电荷泵的级数，以满足负载电压对储能电容最大电压值的要求，通过调节稳压电路中负载电阻的比例，使输出电压稳定在VDD。
控制电路包含一个电压感应模块和一个开关管M20，Vs是储能电容Cs上的电压，以二极管形式串连的NMOS管Mn1～Mnn等效为一个大电阻，与电容C1串联，晶体管M21和M22构成由输出电压Vout控制C1放电的回路；MOS管M23和M24以及MOS管M25和M26分别构成两个反相器，MOS管M27，M28，M29和电阻R0构成一个非平衡反相器，其输出低电位时开关管M20导通，输出高电位时开关管M20截止；
开关电路的工作过程如下：电荷泵给储能电容Cs充电过程时，Vs上升，电容C1两端电压VC1随之升高，电容C1的串联电阻使C1的充电电流很小，所以VC1上升速度远小于Vs，在储能电容Cs上电压上升到门限电压VH前，VC1相当于低电位，不足以打开晶体管M22，VC1经过两级反相控制非平衡反相器输出高电位，开关管M20截止，晶体管M21管截止，电容C1不放电，VC1跟随Vs持续上升；
当储能电容Cs上的电压达到门限电压VH时，VC1升至高电位，晶体管M22管导通，三级反相后，非平衡反相器输出为零，开关管M20打开，储能电容Cs向后续电路泄放能量，此时输出电压Vout为负载工作电压VDD，晶体管M21截止，C1仍然不放电，Vs继续给C1充电，使开关管M20保持一段时间导通，在此期间，储能电容Cs放掉电荷使Vs将低，线性稳压器进入截至区，输出电压Vout近似为零，此时晶体管M21导通，C1通过晶体管M21和M22快速放电，使VC1降为低电位，开关管M20关断，储能电容Cs上的电压VS再次上升，VC1跟随Vs上升，控制电路进入下一工作周期。
本实用新型的技术特点及效果：
1、利用硅基标准CMOS工艺的结构特点，实现了片上集成的微型太阳能电池单元及电源管理电路，使得太阳能供电系统一体化、微型化；
2、对电源管理电路的结构和性能进行优化，采用低功耗设计方法，降低了系统的总体功耗；
3、提出一种新型的控制电路模块，避免了传统控制电路模块中高能耗的迟滞比较器，简化了控制电路模块的整体结构，稳定时的静态功耗基本为零；
4、本实用新型设计的太阳能电池供电系统与硅基标准CMOS工艺兼容，可实现同一芯片上太阳能电池供电系统与射频识别、无线传感网络节点等微功耗系统的单片集成，从而降低成本和体积，丰富功能，提升系统的整体性能。
综上所诉，本实用新型提出的片上太阳能电池供电系统具有良好的应用前景。
附图说明
图1本实用新型所设计的片上太阳能电池供电系统的结构框图。
图2本实用新型所设计的太阳能电池单元的剖面结构图和顶视图。
图3本实用新型所设计的片上太阳能电池供电系统的电路原理图，其中
（a）能量收集模块的电路图
（b）控制电路模块的电路图
（c）线性稳压器的电路图
图4本实用新型所示片上集成太阳能电池供电系统的仿真结果。
具体实施方式
为了克服常规太阳能供电系统体积大、成本高、可靠性差等不利因素，实现射频识别、无线传感网络节点等周期性工作的微功耗系统能量的自动获取，本实用新型提出一种与标准CMOS工艺兼容的片上集成太阳能电池，以及集成该太阳能电池的电源管理电路。本实用新型提高了片上供电系统的整体效率，为射频识别、无线传感网络节点等微功耗系统提供持久、稳定的能源供给。
1、本实用新型提出的片上集成太阳能电池充分利用硅基标准CMOS工艺的结构特点，可实现N阱/p衬底、N+有源区\p衬底、P+有源区/N阱及P+有源区/深N阱等多种结构的PN结型太阳能电池单元，通过标准CMOS的金属互连工艺实现太阳能电池单元的并联，增大输出功率。
2、本实用新型提出的基于标准CMOS工艺的片上集成太阳能供电系统包括：
一组太阳能电池单元，该太阳能电池单元由标准CMOS工艺制备，并采用金属互连工艺实现并行连接，增大输出功率，其作用是将太阳光转换为电能，为后继电路提供能量来源；
一个能量收集模块，该模块包括环形振荡器、多级串联的电荷泵和一个储能电容，其作用是将片上太阳能电池的输出电压升高，并将能量存储在储能电容CS中；
一个控制电路，其作用是监控储能电容两端的电压VS，在储能电压VS被提升到门限电压VH之前，控制电路的开关断开，储能电容CS中断向后继电路提供能量，当储能电压VS达到门限电压VH时，控制电路的开关闭合，储能电容CS通过线性稳压器给负载电路提供稳定的工作电压VDD。当储能电容CS的能量泄放完毕后，控制电路的开关断开，储能电容CS重新开始充电，重复上述过程；
一个线性稳压器，包括启动电路、带隙基准和运算放大器，其作用是为负载电路提供稳定的工作电压VDD。
3、根据太阳能供电系统所驱动微系统的功耗和工作周期，储能电容CS可用片上集成的MOS电容、PN结电容或MIM电容实现，也可选用片外的传统电容器。
4、根据负载电路工作电压VDD的大小，可以调节电荷泵的级数，以满足负载电压对储能电容最大电压值的要求，通过调节稳压电路中负载电阻的比例，使输出电压稳定在负载工作电压VDD。
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步地详述。
本实用新型提供了一种基于硅基标准CMOS工艺实现的片上太阳能电池供电系统。所述太阳能电池供电系统利用硅基标准CMOS工艺的结构特点，实现了片上集成的微型太阳能电池；利用CMOS电路低功耗、高集成度的优点，设计出一款能耗低、输出稳定性高的电源管理电路。本实用新型所设计的片上太阳能电池供电系统的结构框图如图1所示。该太阳能供电系统包括一组并联的太阳能电池单元、一个能量收集模块、一个控制电路和一个线性稳压器。
作为优选实例，本实用新型中的太阳能电池单元由PMOS器件的p+有源区和N阱实现，器件的剖面结构图和顶视图如图2所示。其中，1为p型衬底；2为氧化物填充的浅沟槽隔离区；3为中等掺杂的N阱；4为重掺杂的p+有源区；5为重掺杂的N阱接触区；6为太阳能电池单元的阳极电极；7为太阳能电池单元的阴极电极。由于本实用新型提出的太阳能电池结构与硅基标准CMOS工艺兼容，所以可在制备PMOS和NMOS晶体管的过程中同时实现片上太阳能电池单元，无需额外增加工艺步骤。
下面结合实施例和附图2对太阳能电池的具体实现工艺进行描述：在优选实施例中，首先利用氧化、淀积、光刻及刻蚀等标准CMOS工艺在p型轻掺杂硅衬底1定义出浅沟槽隔离区，然后利用高密度等离子体化学气相淀积工艺淀积氧化物，填充隔离槽，最后采用化学机械抛光工艺实施全局整平，制备出浅沟槽隔离区2。接着利用标准CMOS工艺中PMOS晶体管的N阱注入形成N阱3，所述N阱作为PN结型太阳能电池的N型基底；利用PMOS晶体管的源漏注入形成大面积的p+有源区4；利用NMOS晶体管的源漏注入形成PN结型太阳能电池的N阱接触区5；利用金属化工艺制备出太阳能电池的阳极电极6和阴极电极7；最后利用标准CMOS工艺的互连金属实现太阳能电池单元的并联。
图3(a)给出了能量收集模块的一个优选实施例。该模块包括一个环形振荡器、一组级联的电荷泵和一个储能电容CS。当太阳能电池给储能电容CS充电时，储能电容CS中断为后续负载提供电流。振荡器和电荷泵的输入由太阳能电池的输出电压直接供给。为了使振荡器和电荷泵正常工作，太阳能电池的工作点应尽量接近开路电压VOC（约为0.5V），使其等效为一个输出电压为开路电压VOC的电压源。
图3(a)给出了能量收集模块的一个优选实施例。该模块包括一个振荡器、一组级联的电荷泵和一个储能电容CS。其中，振荡器和电荷泵的输入由太阳能电池的输出电压VSolar直接供给。为了使振荡器和电荷泵正常工作，太阳能电池的工作点应尽量接近开路电压VOC（约为0.5V），使其等效为一个输出电压为开路电压VOC的电压源。当太阳能电池通过电荷泵向储能电容CS充电时，储能电容CS中断为后续负载提供电流。在优选实施例中，为使电荷泵转换效率和储能电容充电时间之间达到最好的折中，振荡器采用三级环形振荡器结构，输出脉冲频率设置为1.67MHz，电荷泵则根据输出电压VS的高低采用多级Dickson电荷泵。
图3(b)给出了控制电路的一个优选实施例。储能电容Cs的储能和供能周期由控制电路决定的。为了实现所述功能，同时达到最低功率损耗，提出了一种全新的控制电路模块，该控制模块不包含迟滞比较器，结构简单，静态功耗基本为零。
控制电路包含一个电压感应模块和一个PMOS开关管M20。Vs是储能电容Cs上的电压。以二极管形式串连的NMOS管Mn1～Mnn等效为一个大电阻，与电容C1串联。M21和M22构成控制C1放电的回路；M23和M24，以及M25和M26分别构成两个反相器。M27，M28，M29和R0构成一个非平衡反相器，其输出低电位时开关管M20导通，输出高电位时开关管M20截止。
开关电路的工作过程如下：电荷泵给储能电容Cs充电过程时，Vs上升，C1两端电压VC1随之升高，C1的串联电阻使C1的充电电流很小，所以VC1上升速度远小于Vs，在储能电容Cs上电压上升到门限电压VH前，VC1相当于低电位，不足以打开M22，VC1经过两级反相控制非平衡反相器输出高电位，开关管M20截止。M21管截止，C1不放电，VC1跟随Vs持续上升。
当储能电容Cs上的电压达到门限电压VH时，VC1升至高电位，M22导通，三级反相后，非平衡反相器输出为零，开关管M20打开，储能电容Cs向后续电路泄放能量。此时输出电压Vout为负载工作电压VDD，M21晶体管截止，C1仍然不放电，Vs继续给C1充电，使开关管M20保持一段时间导通。在此期间，储能电容Cs放掉电荷使Vs将低，线性稳压器进入截至区，输出电压Vout近似为零，此时M21管导通，C1通过M21和M22快速放电，使VC1降为低电位，开关管M20关断。储能电容Cs上的电压VS再次上升，VC1跟随Vs上升，控制电路进入下一工作周期。
图3(c)给出了线性稳压器的一个优选实施例。电路包含一个带隙基准、反馈电阻和误差放大器，负载等效为电阻RL与电容CL的并联。线性稳压器的输入电压为控制电路的输出电压Vin。输入电压Vin通过带隙基准为误差放大器的反相输入端提供一个参考电压Vbg，反馈电阻Rf1与Rf2对输出电压Vout采样，采样电压加在误差放大器的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Vbg相比较，两者的差值经放大器放大后，调整功率管M30的栅极电压，改变其导通电阻，从而使得输出电压稳定。
对于超高频RFID无源标签，其工作电压VDD=1.8V，输入电流30μA。为了实现对所述无源标签的供电，采用UMC0.18μm标准CMOS工艺对太阳能供电系统进行设计。其中，太阳能电池开路电压VOC取为0.5V，选择器件阈值电压VTH<VOC的MOS管设计电路。设置振荡器功耗为2μW，电荷泵给储能电容CS的充电电流不超过1μA，此时太阳能电池等效为一个输出为开路电压VOC的恒压源。储能电容CS选用片外钽电容，电荷泵被设为8级，门限电压VH设为2.5V，这样可保证储能电容电压VS能够被泵送到2.5V以上，稳压器的功耗设计为1.5μA，压差60mV，储能电容电压从2.5V到1.86V的跌落过程中，可以保证稳定输出1.8V的工作电压。图4给出了所述太阳能供电系统的瞬态仿真曲线。由图可见，所设计片上集成太阳能供电系统可以满足超高频RFID无源标签的要求。

Claims (2)

1.一种片上集成太阳能电池供电系统，其特征是，包括： 
一组太阳能电池单元，该太阳能电池单元由标准CMOS工艺制备，并采用金属互连工艺实现并行连接； 
一个能量收集模块，该模块包括环形振荡器、多级串联的电荷泵和一个储能电容，其作用是将片上太阳能电池的输出电压升高，并将能量存储在储能电容CS中； 
一个控制电路，控制电路包含一个电压感应模块和一个开关管M20，Vs是储能电容Cs上的电压，以二极管形式串连的NMOS管Mn1～Mnn等效为一个大电阻，与电容C1串联，晶体管M21和M22构成由输出电压Vout控制C1放电的回路；MOS管M23和M24以及MOS管M25和M26分别构成两个反相器，MOS管M27，M28，M29和电阻R0构成一个非平衡反相器，其输出低电位时开关管M20导通，输出高电位时开关管M20截止； 
一个线性稳压器，包括启动电路、带隙基准和运算放大器，其作用是为负载电路提供稳定的工作电压VDD。 
2.如权利要求1所述的片上集成太阳能电池供电系统，其特征是，根据太阳能供电系统所驱动微系统的功耗和工作周期，储能电容CS可用片上集成的MOS电容、PN结电容或MIM电容实现，或者选用片外的电容器。 
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