低功耗高PSRR无线能量管理单元的研究与设计

发布时间：2020-06-02 12:02

【摘要】：随着生活水平的日益提高,人们对于健康问题也更加重视,这就使得植入式医疗芯片的研究越发具有吸引力。其中一个研究热点就是无线能量的采集与管理,该技术避免了传统意义上电池供电能量有限的问题。其通过采集外界射频信号能量,并整流升压得到较为稳定的直流电平,从而为植入式芯片提供工作电源。本文首先阐述了无线能量管理单元的意义,介绍了国内外关于无线能量管理单元的研究现状,并分析了无线能量管理单元的整体架构、基本原理和基于植入式医疗芯片设计的性能指标。最后基于0.18μm CMOS工艺进行整体电路设计。无线能量管理单元由电荷泵整流器(Charge Pump Rectifier,CPR)、带隙基准源(Bandgap Voltage Reference,BGR)和低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)三个子电路构成,工作内容如下:(1)对电荷泵整流器的研究与设计。分析了传统CPR的基本原理以及能量转换效率较低的原因,并提出一种带阈值电压消除技术的改进型CPR。后仿真结果显示,六级CPR转换效率达到25.3%,最小输入电压幅度低至0.3V左右。(2)对低功耗、高电源抑制比(PSRR)带隙基准源的研究与设计。分析了传统电压模结构BGR的基本原理,在此基础上提出一种基于亚阈值MOS管和双极性晶体管的混合型BGR。然后又提出一种极低功耗的PSRR辅助电路,进一步优化了BGR性能。后仿真结果显示,改进型基准源的温度系数为21.8ppm/℃,不同工艺角下的绝对误差为1.6%,电源电压输入范围为0.75V~2V,PSRR为-104d B@DC、-90d B@500MHz,最后功耗仅为0.85u A。(3)对低功耗、高电源抑制比低压差稳压器的研究与设计。重点分析了LDO电源纹波的耦合路径以及零极点追踪补偿(ZPTC)对于LDO带宽的优化效果。然后依次设计了过温保护、限流保护以及过压保护电路。最后利用BGR中的PSRR辅助电路,进一步优化了LDO的PSRR性能。后仿真结果显示,在负载电流为30u A的情况下,LDO输出电压为1.2V,最小输入输出压差为0.238V,PSRR为-94d B@DC、-60d B@500MHz,静态电流仅为3.418u A。(4)对无线能量管理单元的研究与设计。将CPR、BGR以及LDO整合为一个完整的无线能量管理单元,进行全版图后仿真。后仿真结果显示,增大输入交流信号幅度,CPR的输出电压始终被限制在1.8V~2V之间。典型情况下,CPR的输出电压纹波为5.74m V,LDO输出电压纹波仅为6.13u V,最大负载电流为30u A。最后当温度超过70℃或者电流超过40uA时,电路会自动关断。
【图文】：

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[1-6]。其基本思想是将大量微小的电子设备放置在我们物体，检测或监测物体和环境的信息。然后这些信息进行数据记录和决策。这些技术应用的案例非常多，如具有温度传感器的智能建筑或者森林火灾防护，具有中一个特殊应用案例为人体植入式医疗芯片[7-11]。平的日益提高，人们对于健康问题也逐渐关注。比如度，高血压等健康疾病。但是这样往往会增加人们的源的紧张。而植入式医疗芯片可以不需要去看医生的数。如图 1.1 所示，，其基本的组网框图为植入在人体的电脑。首先医疗芯片通过各种传感器检测人体的血糖指标，然后将其转化为数字信息通过天线等手段传送接着阅读器或者基站对数据进行处理并传送到电脑上智能的与标准指标对比分析，预测健康水平，当有问，从而尽早的得到治疗。所以植入式医疗芯片的普及发展。

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图 1.2 无源芯片电路框图片提取得到的 RF 波能量，并不能直接使用，而是需要进行一系 1.2 所示。无源芯片内部集成了两大模块，一个是进行能量管理s Power Management Unit，WPMU）。另一个则是通常由 ADC、成的信号处理单元，在某些情况下，该单元还需要一个 RF 链路的重点是对 WPMU 进行分析与设计。首先对于接收到的 RF 能泵进行 AC-DC 转换并升压，这里的分析重点是如何提高转化效电路对得到的 DC 电压进行纹波抑制，得到干净、稳定的电源输电路，提高 WPMU 的安全性和稳定性。现状年，无线能量采集与管理技术已得到飞速发展，国内外专家与并取得重大成果。接下来是对 WPMU 以及相关技术的国内外研年，Wooi Gan Yeoh 等人采用标准 0.25μm CMOS 工艺，设计出 2.4
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN432

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