低功耗高性能能量自激型電源管理積體電路

《低功耗高性能能量自激型電源管理積體電路》是依託中山大學，由郭建平擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：低功耗高性能能量自激型電源管理積體電路
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：郭建平
• 依託單位：中山大學

中文摘要

無線電源傳輸越來越廣泛套用於電池因尺寸、使用壽命及成本控制等因素而無法或不便使用的系統中，如醫療植入器件、無源射頻識別標籤及無線感測器節點等。在這些稱之為能量自激型的無線供電設備中，電源管理成為影響系統性能的關鍵因素。圍繞實現低輸入電壓、高轉換效率這一目標，對AC-DC整流器電路各種拓撲結構進行深入細緻的理論研究，總結影響轉換效率及輸入電壓受限等問題，設計出新型低電壓高效率的整流電路。針對超低功耗的DC-DC穩壓電路，研究無需外部電容補償的全集成線性穩壓電路。通過數位化檢測動態偏置電路，使穩壓電路能夠在極低功耗下獲得良好的瞬態回響能力，且無需RC高通濾波電路，大大節省了晶片面積。採用嵌入式電源紋波前饋通路，在無額外靜態功耗下獲得高電源紋波抑制（PSRR）能力。設計的低電壓高效率整流器及全集成快速高PSRR線性穩壓器將在（深）亞微米CMOS下流片驗證，並形成電源晶片IP，直接面向產業界套用。

結題摘要

套用日益廣泛的醫療植入器件、無源射頻識別標籤及無線感測器節點等需要極低的靜態功耗以維持較長時間的工作能力。因此，電源管理電路需具備高效率、低功耗等性能。本項目主要研究高效AC-DC及低功耗低壓差線性穩壓器（LDO）中的相關技術問題。 通過結合傳統整流器和LDO，設計了高度集成的AC-DC穩壓器，減少了輸出電容大小及數量，提高了轉換效率。0.18-μm CMOS下的仿真結果表明13.56 MHz下轉換效率可達80%。 詳細分析了LDO的電源紋波抑制（PSR）性能，總結了提升PSR的基本方法。提出一種簡單獨到的電源紋波前饋技術，跟傳統電路相比，只需多採用兩個無源低通濾波器，通過復用誤差放大器緩衝輸出級，在不增加電路靜態功耗前提下有效改善了LDO低頻至中頻段PSR。基於0.18-μm CMOS的流片測試結果表明，25mA負載下2.5MHz時PSR可達到–85dB，5MHz內PSR優於–55dB。通過頻寬擴展技術，進一步的設計可實現10MHz以內PSR性能優於–63dB。 主要從三方面針對低功耗LDO瞬態回響增強技術展開了研究。（1）採用先進補償技術提升了環路增益、擴展了環路頻寬。將共源共柵電流源電路嵌入到全集成的FVF-LDO中去，直流增益提升了33%，環路頻寬增加了56%。（2）採用先進放大器結構擴展了頻寬並增大了壓擺率。通過將六級具備低阻特性的小增益放大級進行級聯，在24μA靜態電流下即使驅動15nF的大電容負載，也可以獲得接近100dB的直流增益、1.46MHz的單位增益頻寬、以及0.47 V/μs的壓擺率。（3）提出了數字檢測技術用於提高LDO瞬態性能。由於無需採用無源高通濾波器進行尖峰檢測，電路面積大為減小。 在光電能量獲取等套用中研究通過使用單電感多輸出（SIMO）DC-DC來減少電感數目，減小板級空間，降低元件成本。目前階段，定位於針對通用型DC-DC開展研究。提出了自動升降壓型SIMO DC-DC電路，採用一階鎖相環和相位自動分配技術，有效解決了多路負載不平衡的難題，並將電感電流鎖定時間大大縮短，減小了平均電感電流，提升了轉換效率。 針對具體套用，研發了一個適用於無線感測器節點的鎖相環發射機電路，提出了一種環路頻寬校準技術，有效校準了數字預加強濾波器和鎖相環之間的數模誤差。後續工作還將結合高PSR的LDO穩壓器，研究電源電路PSR性能對射頻電路的影響。