用于射频能量收集的集成RF-DC转换器的开发

发布时间：2017-12-10 01:00

  本文关键词：用于射频能量收集的集成RF-DC转换器的开发

  更多相关文章： RF-DC 阈值电压补偿 体偏置 多输出 全波RF-DC转换器

【摘要】：电池的有限的电池容量和续航能力,限制了无线传感节点在物联网(IoT,Internet of Thing),无线人体局域网(WBAN,Wireless Body Area Network),传感链以及其他重要场合的应用,例如,环境监测,人体生理数据采集,植入式芯片等。射频能量收集为无线传感结点的长时间供电提供了可能性。尤其是随着物联网市场和无线人体局域网市场的扩张,可持续的能量来源变得越发的重要。射频(RF,Radio Frequency)能量可以满足上述的要求,是一种可行的能量来源。通过使用射频能量供电,一个传感节点就可以长时间的,进行数据采集和数据输出,而不需要额外的干预和维护。本论文的主要工作是设计一个可集成的射频-直流(RF-DC,Radio Frequency-Direct Current)转换器,且转换器能够在低信号输入时仍然有较高的功率转换效率(PCE,Power Conversion Efficiency)。关于动能,太阳能和温度的环境能量收集的研究和应用都已经比较成熟,但是这些能量来源本身都有一定的限制。最近RF能量收集是能量收集方面的研究热点之一,主要原因是RF能量几乎是无处不在,无时不在。但是基于安全考虑,通常环境中能获取的RF能量都很微弱,因此RF能量收集只适合于低功耗应用场景。本论文的研究内容主要围绕着,如何设计一个低输入信号,高转换效率的RF-DC转换器进行的。在本课题中,我们引入了相应的优化方法使得RF能量收集系统能够工作在低输入幅值的情况下,功率转换效率还比较高。整体的设计是基于对Dickson电荷泵的优化。设计过程中研究了输入信号水平,转换器件的阈值电压,不同情况的偏置,寄生电容以及漏电流对整个系统性能的影响。基于这些分析,设计了多种可集成的,基于CMOS工艺的RF-DC转换器。在这些转换电路中,都是使用标准的MOS管作为转换器件,对这些转换器件的阈值电压作了补偿。同时引入了全波结构,使得功率转换效率大大的提升。整个电路设计是具有SMIC40nmCMOS工艺,电路的输入信号幅值被减小到300mV,且能维持输入电压在1.1 V附近,最大的功率转换效率到37%。本论文的主要创新点如下:1)对RF-DC转换器的结构进行了详细的分析;2)提出了一种全波RF-DC转换器的结构,这种结构具有低输入信号幅值,小芯片面积和高功率转换效率的特点;3)引入体偏置技术和阈值电压自补偿技术来降低阈值电压,提升功率转换效率;4)所有的电路都是基于标准CMOS40nm工艺设计和实现的。5)提出一种多输出结构,这种结构依据不同的负载需求提供不同的输出电压。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM46

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本文编号：1272489