应用于微能量收集的冷启动电路研究与设计

作     者：韩庆 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏淑华;刘哲宇

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：微能量收集 冷启动电路 电荷泵 Boost转换器 

摘      要：目前,人工智能(Artificial Intelligence,AI)已广泛渗透至多个领域,其影响不断加深。这种趋势必将物联网(Internet of Things,Io T)推向全新的发展高度,进而对现有电子产品的性能提出了更为严格的要求。当前的半导体工艺水平可以有效降低电子产品的功耗,从而延长其电池寿命。然而,实现无电池情况下的自主供电,被视为物联网未来发展的趋势。由于环境中存在大量微能量资源,微能量收集系统已成为实现电子系统自主运行的可行途径。虽然光能作为最为广泛分布的能源之一,但其在不同环境条件下的光照强度存在较大波动,因此需要冷启动电路来适应这种波动范围,以确保微能量收集系统能够正常启动并稳定运行。在此背景下,本文采用TSMC 250nm工艺实现了用于光能收集的冷启动电路,主要取得了以下研究成果: 1.针对传统低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)具有较高功耗的问题,采用2T(2-Transistor)基准电压源,实现了静态功耗的大幅度降低。对2T基准电压源的结构和工作原理进行了详细的分析,研究了两晶体管不同的尺寸比例对其温度系数(Temperature Coefficient,TC)的影响,并给出了两晶体管的最佳尺寸以得到最小温度系数8.8ppm/℃。将2T基准电压源应用在LDO中,实现了1V电压的稳定输出,98.52n W的较低功耗,以及9.01ppm/℃的温度系数。 2.采用2T基准电压源、阈值电压接近于零的NA(Native)型MOS管以及阈值电压为零的ZVT(Zero Voltage Threshold)型MOS管,设计了软启动电路的结构,并分析了其保护内部电路的工作原理,实现了对400m V电压的正常传输以及对5V脉冲电压的抑制和电平转换,可保障内部电路的正常工作。 3.对迪克森(Dickson)电荷泵和升压型直流-直流(Boost DC-DC)转换器的电路结构以及工作原理进行了详细分析,研究了Dickson电荷泵的主要性能参数和Boost DC-DC转换器的平衡原理。设计了六级Dickson电荷泵,实现了每一级开关产生1～4m V的低阈值电压损耗、高的电压转换比以及快速的升压速率。冷启动电路的整体仿真结果表明,可实现冷启动输入电压范围为0.4V～5V,最低输入功率为15μW,最快启动时间为1.04ms,性能指标满足设计要求。