《用於RF能量獲取的自洽供電超低壓整流器設計方法研究》是依託西安電子科技大學，由李婭妮擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：用於RF能量獲取的自洽供電超低壓整流器設計方法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李婭妮
- 依託單位：西安電子科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目基於納米級CMOS工藝，研究用於RF能量獲取的超低壓低功耗CMOS整流器電路設計方法。根據RF能源獲取技術普遍存在的挑戰性問題- - 時空波動、工作頻率及環境的改變等，研究整流器電路的拓撲結構，建立RF能量獲取系統的高層次模型，分析其工作頻率、效率、負載間的約束條件，尋求工作頻率和電路尺寸、高層次模型和輸出效率間的最佳關係，研究負載變化對工作頻率和輸出穩定性的影響機理；採用襯底調製/襯底驅動技術補償MOS器件的閾值電壓，考慮噪聲、紋波等非理性因素對有源整流器性能的影響，在較寬頻率範圍內提高RF-DC能量獲取系統的轉換效率；完成多級超低壓低功耗CMOS有源整流器設計，最終實現一種微瓦量級的新型高效自適應RF-DC能源獲取系統，以滿足人們對於綠色、節能環保、攜帶型消費類電子產品的迫切需求。
結題摘要
隨著半導體技術的不斷發展，電路規模和結構逐漸複雜，傳統電池已很難滿足當前套用需求，因此能量獲取技術受到了各界的廣泛關注。其中，射頻能由於不受時間和空間的限制，工作環境自由，傳輸範圍大，近年來成為了能量獲取技術的主流研究方向之一。本項目緊跟國際趨勢，基於納米級CMOS工藝，針對微能源獲取技術，研究了超低壓CMOS有源整流電路及設計方法。採用數學方法研究有源整流器的拓撲結構，建立其高層次模型；分析工作頻率和電路尺寸、等效模型和輸出效率之間的最佳匹配關係，研究負載變化對工作頻率和輸出穩定性的影響；採用襯底調製技術補償MOS器件的閾值電壓，採用襯底驅動、自供電、共柵極差分輸入等設計技術，實現超低壓自供電電路設計；分析噪聲、紋波等非理性因素對有源整流器的影響，在較寬頻率範圍內提高了能量獲取系統的轉換效率。基於上述研究內容，本項目提出了3種新穎的能量獲取整流接口電路：（1）一種超低壓自供電數字開關能量獲取整流電路：利用自供電和數字開關設計，有效降低系統功耗，提高電路轉換效率，同時提供足夠大的輸出電流和輸出功率。仿真驗證了設計的正確性和可行性，測得最大電壓轉換效率為96.3%，最大功率轉換效率96.5%，輸出電流29µA，輸出功率15.43µW，系統帶負載能力強，總功耗僅為1.42µW；（2）一種具有零待機功耗的自供電高效能量獲取整流電路：採用倍壓電路和共柵極閾值可調運放實現了微瓦級高效自匹配能源獲取系統，測得最小輸入電壓0.3V，峰值電壓轉換效率達99.6%，輸出電流75.6µA，峰值輸出功率轉換效率98.2%，最大輸出功率60.48µW，總功耗18.65µW，其中運放所占功耗2.65µW；（3）一種基於MPPT的超低壓低功耗CMOS有源整流電路：基於BOOST DC/DC結構完成了一種具有MPPT功能的超低壓CMOS有源整流電路，測得峰值輸出功率轉換效率85.9%，輸出電壓1.6V，MPPT峰值追蹤效率99.2%，峰值輸出功率18.31µW，整個電路消耗的功耗16.53µW。結果表明，本設計適用於超低壓微功耗能量獲取套用。 綜上，本項目所設計的整流電路均有較好的性能參數，能夠滿足人們對於綠色、節能環保、攜帶型消費類電子產品的迫切需求。本項目的研究成果具有重要的學術意義和套用價值，為能量獲取技術的進一步探索和研究提供了理論依據和研究基礎。
