TW201328153A - 微功率整流器及其方法 - Google Patents

Abstract

一種微功率整流器及其方法，此微功率整流器包括多個電荷泵單元。這些電荷泵單元各自包括輸入電容、輸出電容、第一二極體以及第二二極體。其中，這些輸出電容的參考電壓中至少一個參考電壓大於0V，其餘參考電壓接地。因此，整流器的轉換效率與輸出電壓可以被提昇。

Description

微功率整流器及其方法

本揭露是有關於一種整流器，且特別是有關於一種微功率整流器及其方法。

整流器能將交流(AC)信號轉換成直流(DC)電壓與電流。獵能系統(energy harvesting system)、無線能量傳輸系統、射頻辨認(Radio Frequency-Identification，以下稱RFID)系統及其他系統中都需要整流器。例如無線能量傳輸系統或RFID系統，其系統接收端都需要一個整流電路，將天線接收到的射頻訊號(AC信號)轉換為DC能量。由於射頻訊號在空氣中將隨傳播距離而衰減，因此整流器所接收的信號往往是微功率(micro-power)等級之AC訊號。另一方面，目前在獵能系統中，不論是針對射頻能量或振動能量的獵能技術，都需要將AC訊號轉換為DC訊號的整流器。由於環境中的射頻能量或由振動所產生的能量都十分微弱，因此獵能系統所需的整流器同樣需要能夠將微瓦等級的微弱AC訊號轉換為DC的電壓/電流輸出。

本揭露提供一種微功率整流器及其方法，可提升整流器的直流輸出電壓，並可提高AC轉DC的整流效率。

本揭露實施例提出一種微功率整流器，包括一信號輸入端、一信號輸出端以及N個電荷泵單元CP_1~CP_N。N為大於1的整數，i為大於1且小於等於N的整數。第一個電荷泵單元CP_1包括輸入電容Ci_1、輸出電容Co_1、第一二極體D1_1以及第二二極體D2_1。輸入電容Ci_1的第一端耦接至該信號輸入端。第一二極體D1_1的陰極耦接至該輸入電容Ci_1的第二端。第一二極體D1_1的陽極耦接參考電壓Vref_0。第二二極體D2_1的陽極耦接至輸入電容Ci_1的第二端。第二二極體D2_1的陰極作為第一個電荷泵單元CP_1的輸出端。輸出電容Co_1的第一端耦接至第二二極體D2_1的陰極。輸出電容Co_1的第二端耦接參考電壓Vref_1。第i個電荷泵單元CP_i包括輸入電容Ci_i、輸出電容Co_i、第一二極體D1_i以及第二二極體D2_i。輸入電容Ci_i的第一端耦接至該信號輸入端。第一二極體D1_i的陰極耦接至輸入電容Ci_i的第二端。第一二極體D1_i的陽極耦接至第i-1個電荷泵單元CP_(i-1)的輸出端。第二二極體D2_i的陽極耦接至輸入電容Ci_i的第二端。第二二極體D2_i的陰極作為第i個電荷泵單元CP_i的輸出端。輸出電容Co_i的第一端耦接至第二二極體D2_i的陰極。輸出電容Co_i的第二端耦接參考電壓Vref_i。其中，這些參考電壓Vref_1~Vref_N其中至少一者大於0 V。

本揭露實施例提出一種微功率整流器的方法。此微功率整流器如前段所述。該方法包括：由該信號輸入端接收一輸入電壓；提供一參考電壓Vref_0至該第一個電荷泵單元CP_1的該第一二極體D1_1的陽極；提供一參考電壓Vref_1至該第一個電荷泵單元CP_1的該輸出電容Co_1的第二端；提供一參考電壓Vref_i至該第i個電荷泵單元CP_i的該輸出電容Co_i的第二端，其中i為大於1且小於等於N的整數，N為大於1的整數；以及將該些參考電壓Vref_1~Vref_N其中至少一者升壓至大於0 V。

基於上述，本揭露實施例提供一種微功率整流器，其由多階電荷泵單元CP_1~CP_N所構成，因此微功率整流器可以增益輸出電壓準位。再者，多階電荷泵單元CP_1~CP_N中至少一者被提供大於0伏特的偏壓電壓，故能提升微功率整流器之AC轉DC的轉換效率。

為讓本揭露之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是說明一種微功率整流器100的實施範例電路示意圖。微功率整流器100包括信號輸入端101、信號輸出端102以及N個電荷泵(charge pump)單元CP_1、CP_2、...、CP_N。在此N為大於1的整數，並定義i為大於1且小於等於N的整數。

請參照圖1，第一個電荷泵單元CP_1包括輸入電容Ci_1、輸出電容Co_1、第一二極體D1_1以及第二二極體D2_1。輸入電容Ci_1的第一端耦接至信號輸入端101，以接收交流(alternating current，以下稱AC)的輸入電壓Vin。第一二極體D1_1的陰極耦接至輸入電容Ci_1的第二端。第一二極體D1_1的陽極接地。第二二極體D2_1的陽極耦接至輸入電容Ci_1的第二端。第二二極體D2_1的陰極作為第一個電荷泵單元CP_1的輸出端。輸出電容Co_1的第一端耦接至第二二極體D2_1的陰極。輸出電容Co_1的第二端接地。

其它第i個電荷泵單元CP_i包括輸入電容Ci_i、輸出電容Co_i、第一二極體D1_i以及第二二極體D2_i。例如，第2個電荷泵單元CP_2包括輸入電容Ci_2、輸出電容Co_2、第一二極體D1_2以及第二二極體D2_2，第N個電荷泵單元CP_N包括輸入電容Ci_N、輸出電容Co_N、第一二極體D1_N以及第二二極體D2_N。輸入電容Ci_i的第一端耦接至信號輸入端101，以接收AC的輸入電壓Vin。第一二極體D1_i的陰極耦接至輸入電容Ci_i的第二端。第一二極體D1_i的陽極耦接至第i-1個電荷泵單元CP_(i-1)的輸出端。第二二極體D2_i的陽極耦接至該輸入電容Ci_i的第二端。第二二極體D2_i的陰極作為該第i個電荷泵單元CP_i的輸出端。輸出電容Co_i的第一端耦接至第二二極體D2_i的陰極。輸出電容Co_i的第二端接地。

例如在第N個電荷泵單元CP_N中，輸入電容Ci_N的第一端耦接至信號輸入端101，以接收AC的輸入電壓Vin。第一二極體D1_N的陰極耦接至輸入電容Ci_N的第二端。第一二極體D1_N的陽極耦接至前一個電荷泵單元CP_(N-1)的輸出端。第二二極體D2_N的陽極耦接至輸入電容Ci_N的第二端。輸出電容Co_N的第一端耦接至第二二極體D2_N的陰極。輸出電容Co_N的第二端接地。第二二極體D2_N的陰極作為第N個電荷泵單元CP_N的輸出端。第N個電荷泵單元CP_N的輸出端耦接至信號輸出端102，以輸出直流(direct current，以下稱DC)的輸出電壓Vout。

當信號輸入端101之AC輸入電壓Vin為正半週期時，若輸入電壓Vin大於二極體導通之臨限電壓(threshold voltage)，則第二二極體D2_1~D2_N導通，第一二極體D1_1~D1_N截止。因此，輸入電壓Vin對輸出電容Co_1~Co_N充電。當輸入端101之AC輸入電壓Vin為負半週期時，若輸入電壓Vin大於二極體導通之臨限電壓，則第二二極體D2_1~D2_N截止，第一二極體D1_1~D1_N導通。因此，輸入電壓Vin對C_in1~C_inN充電。如此重複進行，則第1個電荷泵單元CP_1的輸出端(即第二二極體D2_1的陰極)電壓約略接近於2Vin，第2個電荷泵單元CP_2的輸出端(即第二二極體D2_2的陰極)電壓約略接近於3Vin，而第N個電荷泵單元CP_N的輸出端(即第二二極體D2_N的陰極)電壓約略接近於(N+1)Vin。

請參照圖1，多階電荷泵主要由二極體(或電晶體)與電容所組成。多階電荷泵將AC輸入電壓Vin轉換為DC輸出電壓Vout，同時附加有電路升壓(電壓增益)的功能。可多階設計且具升壓功能的電荷泵較適用於低功率信號的整流應用。當電荷泵的AC輸入電壓Vin振幅大於電晶體/二極體的臨限電壓時，AC輸入電壓Vin在正半週期與負半週期時將分別使電荷泵中的部份電晶體/二極體導通並對相對應的電容充電，因此能將AC輸入電壓Vin整流為DC輸出電壓Vout。藉由多階的電荷泵設計，理想上可產生升壓的效果，即第N個電荷泵單元CP_N的輸出端電壓為(N+1)Vin。

然而實際上，第N個電荷泵單元CP_N的輸出端電壓小於(N+1)Vin。也就是說，實際輸出電壓Vout與理想輸出電壓(N+1)Vin之間存在差值ΔV。此差值ΔV是累積了二極體D1_1~D1_N與/或D2_1~D2_N的臨限電壓所造成。若輸入電壓Vin為大電壓，則二極體的臨限電壓所造成的差值ΔV可以被容忍。當整流器100之輸入電壓Vin為微瓦(micro-watt)等級之微弱訊號時，輸入電壓Vin之電壓振幅非常小，電荷泵整流器設計將遭遇瓶頸與挑戰。在此情形下，二極體D1_1~D1_N與/或D2_1~D2_N的臨限電壓所造成的差值ΔV將無法忽視，因為臨限電壓所造成的差值ΔV會大幅降低DC輸出電壓Vout。在目前的CMOS製程中，NMOS電晶體(二極體)的臨限電壓約為0.6 V。微功率輸入電壓Vin的電壓峰值可能遠低於NMOS電晶體(二極體)的臨限電壓，使得電晶體/二極體無法導通，因此使得整流器100的輸出電壓Vout為零。

於本實施例中，針對低功率或微功率訊號的整流器100可以採用原生型(native) NMOS電晶體實現二極體D1_1~D1_N與/或D2_1~D2_N。原生型NMOS電晶體理論上的臨限電壓約為0.05 V，因此應用原生型NMOS電晶體的整流器100在低功率整流應用上其效能已有大幅改善。但是，由於原生型NMOS電晶體會因為製程與寄生效應等各種因素影響，而導致其臨限電壓放大到約為0.2~0.3 V。因此，若輸入電壓Vin為微功率的應用，其整流效率極低，大多在10%以下。也就是說，在輸入電壓Vin之訊號週期中大部分的時間內，輸入電壓Vin之電壓振幅可能低於二極體/二極體的臨限電壓。因此，在輸入電壓Vin之訊號週期中大部分的時間內二極體D1_1~D1_N與/或D2_1~D2_N都無法導通，使得整流器100的AC轉DC的轉換效率較差。

圖2是依照本揭露實施例說明一種微功率整流器200的電路示意圖。微功率整流器200包括信號輸入端201、信號輸出端202以及N個電荷泵單元CP_1、CP_2、...、CP_N。圖2所示二極體D1_1~D1_N與/或D2_1~D2_N可以是蕭特基二極體(Schottky Barrier Diode)或其他類型二極體。或者，二極體D1_1~D1_N與/或D2_1~D2_N可以由P通道金屬氧化物半導體(P-channel metal oxide semiconductor，以下稱PMOS)電晶體或N通道金屬氧化物半導體(N-channel metal oxide semiconductor，以下稱NMOS)電晶體實現。以電晶體實現二極體的實現方式容後詳述。

圖2所示實施例可以參照圖1的相關說明。與圖1所示實施例相似，電荷泵單元CP_1的第一二極體D1_1的陽極的參考電壓Vref_0為接地電壓。不同於圖1所示實施例之處，在於圖2所示實施例中輸出電容Co_1~Co_N各自被施加參考電壓Vref_1、Vref_2、...、Vref_N。其中，參考電壓Vref_1、Vref_2、...、Vref_N中至少一者的準位為大於0伏特的偏壓電壓Vcbias，而其餘者為接地電壓。

在一些實施例中，這些參考電壓Vref_1~Vref_N的準位互不相同。在另一些實施例中，這些參考電壓Vref_1~Vref_N的準位部份相同，部分不同。在其他實施例中，這些參考電壓Vref_1~Vref_N皆為相同的偏壓電壓Vcbias。上述偏壓電壓Vcbias的準位可以視實際產品的設計需求來決定。

整流器200之運作原理與圖1之整流器100相同。假設圖2所示參考電壓Vref_1~Vref_N皆為直流偏壓電壓Vcbias。在整流器200上電後，偏壓電壓Vcbias會從0 V升壓至預設的直流電壓位準。因此，大於0 V的偏壓電壓Vcbias會提高每一級電荷泵單元的輸入直流電壓位準。例如，大於0 V的偏壓電壓Vcbias提升了電荷泵單元CP_2的輸入電壓位準(即二極體D1_2的陽極電壓)。因此，在訊號週期內增加二極體的導通時間，使整流器200之電容有較長的充電時間，因此提高了AC轉DC的轉換效率。同時，因電容Co_N之第二端連接到偏壓電壓Vcbias，偏壓電壓Vcbias將提高輸出端202之電壓準位，使整流器200之輸出直流電壓更適於進行後端電路之偏壓或充電之應用。

在另一實施例，這些參考電壓Vref_1~Vref_N的準位互不相同，且參考電壓Vref_1~Vref_N均大於0 V。在整流器200上電後，參考電壓Vref_1~Vref_N會從0 V各自升壓至不同的預設直流電壓位準。因此，大於0 V的參考電壓Vref_1~Vref_N會提高每一級電荷泵單元CP_2~CP_N的輸入直流電壓位準，因此提高了AC轉DC的轉換效率。

圖3是以N=3為例，說明圖2所示整流器200的範例電路示意圖。圖3所示實施例可以參照圖2的相關說明。圖3繪示了一個3階電荷泵整流器。圖3所示整流器200包括3個電荷泵單元CP_1、CP_2、CP_3。第一階電荷泵單元CP_1包括電容Ci_1、電容Co_1、二極體D1_1與二極體D2_1。電容Ci_1連接於輸入端201與二極體D1_1陰極之間。二極體D1_1之陽極接地。二極體D2_1之陽極連接到二極體D1_1之陰極，且二極體D2_1之陰極連接到電容Co_1之第一端。電容Co_1之第二端連接到參考電壓Vref_1。

第二階電荷泵單元CP_2包括電容Ci_2、電容Co_2、二極體D1_2與二極體D2_2。電容Ci_2連接輸入端201與二極體D1_2之陰極。二極體D1_2之陽極連接到二極體D2_1之陰極。二極體D2_2之陽極連接到二極體D1_2之陰極，且二極體D2_2之陰極連接到電容Co_2之第一端。電容Co_2之第二端點連接到參考電壓Vref_2。

第三階電荷泵單元CP_3包括電容Ci_3、電容Co_3、二極體D1_3與二極體D2_3。電容Ci_3連接輸入端201與二極體D1_3之陰極。二極體D1_3之陽極連接到二極體D2_2之陰極。二極體D2_3之陽極連接到二極體D1_3之陰極，且二極體D2_3之陰極連接到電容Co_3之第一端。電容Co_3之第二端連接到參考電壓Vref_3。

上述二極體D1_1~D1_3與二極體D2_1~D2_3可由NMOS電晶體實現。例如，圖4是說明圖3所示整流器200的範例電路示意圖。圖4所示實施例可以參照圖2與圖3的相關說明。不同於圖3所示實施例之處，在於圖4所示實施例採用NMOS電晶體實現二極體D1_1~D1_3與二極體D2_1~D2_3。其中，NMOS電晶體閘極與汲極連接，等效於二極體之陽極；而NMOS電晶體之源極則等效於二極體之陰極。

上述二極體D1_1~D1_3與二極體D2_1~D2_3亦可由PMOS電晶體實現。例如，圖5是說明圖3所示整流器200的另一範例電路示意圖。圖5所示實施例可以參照圖2與圖3的相關說明。不同於圖3所示實施例之處，在於圖5所示實施例採用PMOS電晶體實現二極體D1_1~D1_3與二極體D2_1~D2_3。其中，PMOS電晶體閘極與汲極連接，等效於二極體之陰極；而PMOS電晶體之源極則等效於二極體之陽極。

針對實際產品的設計需求，各階電荷泵單元之電容Co_1~Co_3可以被提供不同的偏壓電壓Vref_1~Vref_3。藉由決定偏壓電壓Vref_1~Vref_3各自的電壓準位，可以針對整流器200的整流效率進行最佳化設計，使各階電荷泵單元之AC轉DC的轉換效率進一步提高。

例如，偏壓電壓Vref_1~Vref_3均為大於0伏特的偏壓電壓Vcbias。圖6是說明圖3所示整流器200的又一範例電路示意圖。圖6所示實施例可以參照圖2與圖3的相關說明。不同於圖3所示實施例之處，在於圖6所示實施例中各階電荷泵單元之電容Co_1~Co_3被提供大於0伏特的偏壓電壓Vcbias。偏壓電壓Vcbias的準位可以視實際產品的設計需求來決定。

圖7是說明圖3所示整流器200的更一範例電路示意圖。圖7所示實施例可以參照圖3的相關說明。不同於圖3所示實施例之處，在於圖7所示電荷泵單元CP_1與CP_2的電容Co_1與Co_2被提供大於0伏特的偏壓電壓Vref_1與Vref_2，而電荷泵單元CP_3的電容Co_3接地。

圖8是說明圖3所示整流器200的再一範例電路示意圖。圖8所示實施例可以參照圖3的相關說明。不同於圖3所示實施例之處，在於圖8所示電荷泵單元CP_1的電容Co_1接地，而電荷泵單元CP_2與CP_3的電容Co_2與Co_3被提供大於0伏特的偏壓電壓Vref_2與Vref_3。

圖9為依照本揭露另一實施例說明一種微功率整流器200的電路示意圖。圖9所示實施例可以參照圖2的相關說明。不同於圖2所示實施例之處，在於圖9所示微功率整流器200更包括直流直流轉換器(DC-DC converter)910。直流直流轉換器910的輸入端耦接至微功率整流器200的信號輸出端202，以接收輸出電壓Vout。直流直流轉換器910的輸出端耦接至電荷泵單元CP_1~CP_N。直流直流轉換器910將微功率整流器200的信號輸出端202的輸出電壓Vout轉換為參考電壓Vref_1~Vref_N，以提供參考電壓Vref_1~Vref_N至該些電荷泵單元CP_1~CP_N。在此實施例中，偏壓電壓Vref_1~Vref_N均為大於0伏特的偏壓電壓Vcbias。偏壓電壓Vcbias由直流直流轉換器910所提供。直流直流轉換器910將輸出電壓Vout穩壓後，輸出直流偏壓電壓Vcbias至電荷泵單元CP_1~CP_N。

圖10為依照本揭露又一實施例說明一種微功率整流器200的電路示意圖。圖10所示實施例可以參照圖2與圖9的相關說明。不同於圖2所示實施例之處，在於圖10所示微功率整流器200更包括儲能裝置1010。儲能裝置1010可以包括充電電池、電容或其他儲能裝置。儲能裝置1010耦接於微功率整流器200的信號輸出端201與電荷泵單元CP_1~CP_N之間。儲能裝置1010將微功率整流器200的信號輸出端202的輸出電壓Vout轉換為參考電壓Vref_1~Vref_N，以提供參考電壓Vref_1~Vref_N至電荷泵單元CP_1~CP_N。。在此實施例中，偏壓電壓Vref_1~Vref_N均為大於0伏特的偏壓電壓Vcbias。偏壓電壓Vcbias由儲能裝置1010所提供。儲能裝置1010將輸出電壓Vout穩壓後，輸出直流偏壓電壓Vcbias至電荷泵單元CP_1~CP_N。

圖11為依照本揭露更一實施例說明一種微功率整流器200的電路示意圖。圖11所示實施例可以參照圖2與圖9的相關說明。不同於圖2所示實施例之處，在於圖11所示微功率整流器200更包括獵能裝置(energy harvesting device) 1110。獵能裝置1110的輸出端耦接至電荷泵單元CP_1~CP_N。獵能裝置1110可將非電能轉換為電能，以提供參考電壓Vref_1~Vref_N給該些電荷泵單元CP_1~CP_N。其中，該非電能可以是光能(light)、太陽能(solar)、振動能(vibration)、熱能(thermal)、生化能(biochemical)或射頻能量。在此實施例中，獵能裝置1110所提供均為大於0伏特的偏壓電壓Vcbias給電荷泵單元CP_1~CP_N做為偏壓電壓Vref_1~Vref_N。

上述整流器200可以實現於CMOS製程。以7階(即N=7)電荷泵單元為例，於0.9 GHz的頻帶操作條件下，其尺寸約為350um×300um。在此假設射頻輸入電壓Vin的頻率為0.9 GHz，而電荷泵單元CP_1~CP_7的參考電壓Vref_1~Vref_7皆為相同的偏壓電壓Vcbias。圖12為CMOS製程、7階電荷泵單元之整流器200的AC轉DC轉換效率量測圖。0.9 GHz射頻輸入電壓Vin的輸入功率Pin量測範圍由-20 dBm至-6 dBm，而偏壓電壓Vcbias的調變範圍則為0.1V至0.5V。圖12中，縱軸表示整流器200的轉換效率，橫軸表示0.9 GHz射頻輸入電壓Vin的輸入功率Pin。

曲線1200表示當偏壓電壓Vcbias為0 V時，整流器200的轉換效率。曲線1201表示當偏壓電壓Vcbias為0.1 V時，整流器200的轉換效率。曲線1202表示當偏壓電壓Vcbias為0.2 V時，整流器200的轉換效率。曲線1203表示當偏壓電壓Vcbias為0.3 V時，整流器200的轉換效率。曲線1204表示當偏壓電壓Vcbias為0.4 V時，整流器200的轉換效率。曲線1205表示當偏壓電壓Vcbias為0.5 V時，整流器200的轉換效率。由圖12可發現在不同的輸入功率Pin時，偏壓電壓Vcbias均可有效提升此整流器200之AC-DC轉換效率。偏壓電壓Vcbias越大則提升之效率越多。以輸入功率Pin為-15 dBm為例，當偏壓電壓Vcbias為0 V，則整流效率僅為11.7%。當偏壓電壓Vcbias為0.1 V，則整流效率提升為15.43%。當偏壓電壓Vcbias為0.3 V，則整流效率進一步提升為20.27%。

圖13為CMOS製程、7階電荷泵單元之整流器200的直流輸出電壓Vout量測圖。圖13中，縱軸表示整流器200的直流輸出電壓Vout，橫軸表示射頻輸入電壓Vin的輸入功率Pin。在此0.9 GHz射頻輸入電壓Vin的輸入功率量測範圍由-20 dBm至-6 dBm，而偏壓電壓Vcbias的調變範圍則為0.1V至0.5V。

曲線1300表示當偏壓電壓Vcbias為0 V時，整流器200的輸出電壓Vout。曲線1301表示當偏壓電壓Vcbias為0.1 V時，整流器200的輸出電壓Vout。曲線1302表示當偏壓電壓Vcbias為0.2 V時，整流器200的輸出電壓Vout。曲線1303表示當偏壓電壓Vcbias為0.3 V時，整流器200的輸出電壓Vout。曲線1304表示當偏壓電壓Vcbias為0.4 V時，整流器200的輸出電壓Vout。曲線1305表示當偏壓電壓Vcbias為0.5 V時，整流器200的輸出電壓Vout。由圖13可發現在不同的輸入功率Pin時，偏壓電壓Vcbias均可有效提升此整流電路之直流輸出電壓Vout。偏壓電壓Vcbias越大，則輸出電壓Vout提升之電壓越高。以輸入功率Pin為-15 dBm為例，當偏壓電壓Vcbias為0 V時，輸出電壓Vout僅為0.89 V。當偏壓電壓Vcbias為0.1 V時，輸出電壓Vout提升為1.07 V。當偏壓電壓Vcbias為0.3 V時，輸出電壓Vout進一步提升為1.33 V。

在此說明上述諸實施例中微功率整流器200的方法。該方法包括：由信號輸入端201接收輸入電壓Vin；提供參考電壓Vref_0至第一個電荷泵單元CP_1的第一二極體D1_1的陽極；提供參考電壓Vref_1至第一個電荷泵單元CP_1的輸出電容Co_1的第二端；提供參考電壓Vref_i至第i個電荷泵單元CP_i的輸出電容Co_i的第二端，其中i為大於1且小於等於N的整數，N為大於1的整數；以及將參考電壓Vref_1~Vref_N其中至少一者升壓至大於0 V。

綜上所述，上述適用於微功率應用的AC-DC整流器200由多階電荷泵單元所構成，其中多階電荷泵單元中一個或數個輸出電容被耦接至大於0V的偏壓電壓Vcbias，故能提高整流器200之輸出電壓Vout的準位，並提升微功率輸入時整流器200之AC-DC轉換效率，使整流器200所轉換之DC能量獲得有效運用。由於整流器200不需複雜的控制電路與切換電路，不但降低整體電路的複雜度與成本，且可避免控制電路額外的能量損失。另一方面，整流器200不需對輸出直流能量進行預先儲能的動作，可持續性的提供較高的電壓輸出，因此可應用範圍較廣。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200．．．整流器

101、201．．．信號輸入端

102、202．．．信號輸出端

910．．．直流直流轉換器

1010．．．儲能裝置

1110．．．獵能裝置

1200~1205、1300~1305．．．曲線

Ci_1、Ci_2、Ci_3、Ci_N．．．輸入電容

Co_1、Co_2、Co_3、Co_N．．．輸出電容

CP_1、CP_2、CP_3、CP_N．．．電荷泵單元

D1_1~D1_N、D2_1~D2_N．．．二極體

Vcbias．．．偏壓電壓

Vin．．．輸入電壓

Vout．．．輸出電壓

Vref_1、Vref_2、Vref_3、Vref_N．．．參考電壓

圖1是說明一種微功率整流器的實施範例電路示意圖。

圖2是依照本揭露實施例說明一種微功率整流器的電路示意圖。

圖3是以N=3為例，說明圖2所示整流器的範例電路示意圖。

圖4是說明圖3所示整流器的範例電路示意圖。

圖5是說明圖3所示整流器的另一範例電路示意圖。

圖6是說明圖3所示整流器的又一範例電路示意圖。

圖7是說明圖3所示整流器的更一範例電路示意圖。

圖8是說明圖3所示整流器的再一範例電路示意圖。

圖9為依照本揭露另一實施例說明一種微功率整流器的電路示意圖。

圖10為依照本揭露又一實施例說明一種微功率整流器的電路示意圖。

圖11為依照本揭露更一實施例說明一種微功率整流器的電路示意圖。

圖12為CMOS製程、7階電荷泵單元之整流器的轉換效率量測圖。

圖13為CMOS製程、7階電荷泵單元之整流器的直流輸出電壓量測圖。

200．．．整流器

201．．．信號輸入端

202．．．信號輸出端

Ci_1、Ci_2、Ci_N．．．輸入電容

Co_1、Co_2、Co_N．．．輸出電容

CP_1、CP_2、CP_N．．．電荷泵單元

D1_1~D1_N、D2_1~D2_N．．．二極體

Vin．．．輸入電壓

Vout．．．輸出電壓

Vref_1、Vref_2、Vref_N．．．參考電壓

Claims (19)

1. 一種微功率整流器，包括：一信號輸入端；一信號輸出端；以及N個電荷泵單元CP_1~CP_N，其中N為大於1的整數，i為大於1且小於等於N的整數，且第一個電荷泵單元CP_1包括：一輸入電容Ci_1，其第一端耦接至該信號輸入端；一第一二極體D1_1，其陰極耦接至該輸入電容Ci_1的第二端，該第一二極體D1_1的陽極耦接一參考電壓Vref_0；一第二二極體D2_1，其陽極耦接至該輸入電容Ci_1的第二端，該第二二極體D2_1的陰極作為該第一個電荷泵單元CP_1的輸出端；以及一輸出電容Co_1，其第一端耦接至該第二二極體D2_1的陰極，該輸出電容Co_1的第二端耦接一參考電壓Vref_1；以及第i個電荷泵單元CP_i包括：一輸入電容Ci_i，其第一端耦接至該信號輸入端；一第一二極體D1_i，其陰極耦接至該輸入電容Ci_i的第二端，該第一二極體D1_i的陽極耦接至第i-1個電荷泵單元CP_(i-1)的輸出端；一第二二極體D2_i，其陽極耦接至該輸入電容Ci_i的第二端，該第二二極體D2_i的陰極作為該第i個電荷泵單元CP_i的輸出端；以及一輸出電容Co_i，其第一端耦接至該第二二極體D2_i的陰極，該輸出電容Co_i的第二端耦接一參考電壓Vref_i，其中該些參考電壓Vref_1~Vref_N其中至少一者大於0 V。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微功率整流器，其中該些參考電壓Vref_1~Vref_N中至少一者的準位為大於0伏特的一偏壓電壓，其餘者為接地電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微功率整流器，其中該參考電壓Vref_0為接地電壓，該些參考電壓Vref_1~Vref_N皆為大於0伏特的一偏壓電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微功率整流器，其中該些參考電壓Vref_1~Vref_N的準位互不相同。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微功率整流器，更包括：一直流直流轉換器，其輸入端耦接至該微功率整流器的該信號輸出端，而該直流直流轉換器的輸出端耦接至該些電荷泵單元CP_1~CP_N以提供該些參考電壓Vref_1~Vref_N。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微功率整流器，更包括：一儲能裝置，其耦接於該微功率整流器的該信號輸出端與該些電荷泵單元CP_1~CP_N之間，以提供該些參考電壓Vref_1~Vref_N。
7. 如申請專利範圍第6項所述之微功率整流器，其中該儲能裝置包括一充電電池或一電容。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微功率整流器，更包括：一獵能裝置，其輸出端耦接至該些電荷泵單元CP_1~CP_N，其中該獵能裝置將非電能轉換為電能，以提供該些參考電壓Vref_1~Vref_N給該些電荷泵單元CP_1~CP_N。
9. 如申請專利範圍第8項所述之微功率整流器，其中該非電能為光能、太陽能、振動能、熱能、生化能或射頻能量。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微功率整流器，其中該些第一二極體D1_1~D1_N與該些第二二極體D2_1~D2_N為蕭特基二極體、P通道金屬氧化物半導體電晶體或N通道金屬氧化物半導體電晶體。
11. 一種微功率整流器的方法，所述微功率整流器為如申請專利範圍第1項所述，該方法包括：由該信號輸入端接收一輸入電壓；提供一參考電壓Vref_0至該第一個電荷泵單元CP_1的該第一二極體D1_1的陽極；提供一參考電壓Vref_1至該第一個電荷泵單元CP_1的該輸出電容Co_1的第二端;提供一參考電壓Vref_i至該第i個電荷泵單元CP_i的該輸出電容Co_i的第二端，其中i為大於1且小於等於N的整數，N為大於1的整數；以及將該些參考電壓Vref_1~Vref_N其中至少一者升壓至大於0 V。
12. 如申請專利範圍第11項所述微功率整流器的方法，其中該些參考電壓Vref_1~Vref_N中至少一者的準位為大於0伏特的一偏壓電壓，其餘者為接地電壓。
13. 如申請專利範圍第11項所述微功率整流器的方法，其中該參考電壓Vref_0為接地電壓，該些參考電壓Vref_1~Vref_N皆為大於0伏特的一偏壓電壓。
14. 如申請專利範圍第11項所述微功率整流器的方法，其中該些參考電壓Vref_1~Vref_N的準位互不相同。
15. 如申請專利範圍第11項所述微功率整流器的方法，更包括：藉由一直流直流轉換器將該微功率整流器的該信號輸出端的輸出電壓轉換為該些參考電壓Vref_1~Vref_N，以提供至該些電荷泵單元CP_1~CP_N。
16. 如申請專利範圍第11項所述微功率整流器的方法，更包括：藉由一儲能裝置將該微功率整流器的該信號輸出端的輸出電壓轉換為該些參考電壓Vref_1~Vref_N，以提供至該些電荷泵單元CP_1~CP_N。
17. 如申請專利範圍第16項所述微功率整流器的方法，其中該儲能裝置包括一充電電池或一電容。
18. 如申請專利範圍第11項所述微功率整流器的方法，更包括：藉由一獵能裝置將非電能轉換為電能，以提供該些參考電壓Vref_1~Vref_N給該些電荷泵單元CP_1~CP_N。
19. 如申請專利範圍第18項所述微功率整流器的方法，其中該非電能為光能、太陽能、振動能、熱能、生化能或射頻能量。