适用于无线传感节点的射频能量采集芯片设计

发布时间：2020-05-04 06:40

【摘要】：随着物联网的发展,越来越多无线传感节点被应用到物联网中,以获取最基本的与物相关的信息。而射频能量采集技术作为无线传感节点供电解决方案之一,以其无线方式供电、无需电池的特点,非常适合为大量分散的无线传感节点供电,因此获得了众多的关注和研究。依据射频能量采集技术设计的射频能量采集芯片,可以采集环境中广泛存在的射频信号并转化为直流电能为其他电路供电,并且体积小、功耗低、可以集成,有重要的应用价值和较多的应用范围。在此背景下,本文以适用于无线传感节点的射频能量采集芯片为设计目标。首先,针对二极管阈值造成的射频能量损失问题,设计中采用了阈值电压较低的本征管构建倍压整流电路,所设计的基于ISM 915MHz频带的本征管倍压整流电路在1V输出电压10uA负载电流的条件下,灵敏度可达-15dBm,在灵敏度范围内能量转换效率最低大于33%,最大可大于60%。其次,在研究了能量采集芯片的阻抗和阻抗匹配网络的基础上,针对,输入功率不同倍压整流电路阻抗不同,使用固定匹配无法适应阻抗变化会导致匹配网络失配增加、功率传输效率下降,提出了自动阻抗匹配技术,设计的具有自动阻抗匹配功能的射频能量采集电路,在-8dBm的输入功率下,可将能量采集电路的输出电压提升1.6倍,输出功率提升2.56倍,此时能量采集电路的整体效率为27.2%。此外,针对由于自动阻抗匹配电路工作需要时钟信号和复位信号,设计了片内时钟电路和复位电路,所设计的时钟电路受工艺和温度变化的影响频率在968kHz到321kHz之间,可以使自动阻抗匹配电路在399μs内完成阻抗调节。此外,针对自动阻抗匹配电路的功耗,采用了电源控制电路,在自动阻抗匹配工作完毕后,可切断自动阻抗匹配电路的供电电源,节省能量,并采用了锁存电路锁存匹配结果,确保自动阻抗匹配电路掉电后阻抗匹配网络保持不变。最后,采用SMIC 0.18μm工艺对论文中的能量采集芯片进行了芯片版图设计,也对芯片测试和验证需要的板级PCB进行了设计。
【图文】：

节点,监测应用,采集技术,硕士论文

西安电子科技大学硕士论文监测应用中。能量采集技术不但可以很好地解决无电池无线节点的以使无线传感节点具有更高的集成度和更低的制造和应用成本，结、维护更加简单。

史密斯圆图

电感增加电抗，不改变电阻(忽略寄生电阻)。因此，，在电路中增加串联电感相在史密斯圆图上将阻抗沿的等电阻圆“向上”（电抗增加的方向）移动一个恒定。在此过程中，阻抗从 z=r+jx1移到 z=r+jx2，可以计算电感对 x 值的贡献是 x2-x1加串联电容器进行与此特性相同的转换，但增加了负电抗，沿等电阻圆“向下”（减小的方向）方向上移动一个恒定的距离。添加并联电感和电容器是相同的，只们增加了导纳，而不是阻抗。因此，要计算并联元件的作用，需要切换到导纳圆使用不同常数值的 g 圆。在这些导纳史密斯原图中，添加并联电感使导纳沿等电圆仍然向上移动，使电纳减小，添加并联电容使导纳沿等电导 g 圆仍然向下移动电纳增加方向移动。斯密斯圆图设计阻抗匹配网络的目标是从源阻抗开始最后到阻抗处结束，确定一组并联/串联电容器/电感元件的列表[27]。使用阻抗/导纳史密斯图进行匹配网络的设计方法步骤如下:1.对源阻抗 Zant进行归一化，得到 zant；2.将负载阻抗*loadZ 归一化，得到*loadz3.在 Smith 圆图上绘制 zant，*loadz 点
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN402

【参考文献】