韩 聃,张世林,毛陆虹,谢 生
(天津大学电子信息工程学院,天津300072)
CMOS太阳能电池的应用已有广泛的研究,与常规的硅太阳能电池不同,CMOS太阳能电池与CMOS工艺相兼容,可与电路系统集成从而实现片上供电,这对电路系统集成度提高和成本降低具有重要意义[1-4]。Arima Y 等人报道了一种用片上CMOS太阳能电池驱动加法器和计数器工作的技术[5]。这种片上集成太阳能电池技术可推广到无线传感器网络(WSN),射频识别(RFID)领域中,进而广泛应用于无线传感器网络节点、电子标签;近年来RFID技术与无线传感器网络(WSN)结合已有报道[6-8],片上集成太阳能电池技术也为这种超级节点提供了一种环保的能源补给方式。
CMOS太阳能电池自身有不可克服的缺点,由于N阱/P衬底寄生结在光照下产生的反向电流损耗明显[9],如将电池串联以提高其输出电压,反向电流损耗将更为显著,电池的效率会大大降低,以至于将产生的光生载流子被全部损耗,而在标准CMOS工艺中很难寻求合适的衬底隔离办法消除衬底寄生结的影响,所以CMOS太阳能电池大多采用单节PN结并联的方式来提高输出功率,导致开路电压较低(约为0.5 V)。在文献[10]中制备了一款CMOS工艺兼容的片上集成太阳能电池阵列,其面积约为 0.2 mm2,在 AM1.5、1 000 W/m2、25 ℃标准测试条件下测得最大输出功率为10.212 μW,电池输出功率太低,无法直接应用。
Ferri M等人针对CMOS太阳能电池的这一缺点,提出了一种电源管理方案,采用0.35 μm标准CMOS工艺制作[1]。电路系统利用一个储能电容长时间储存CMOS太阳能电池的输出能量,当电容上的能量足够为后续电路在一段时间内供电时,由一个控制电路控制储能电容和后续电路相连,电容将长时间储存的能量短时间放出,以达到后续电路的功率需求。储能电容上能量泄放完毕后,控制电路将储能电容与后续电路断开,让其完成第二次储能过程,如此周而复始。当然这就要求负载具有周期性短时间工作的性质,而传感器网络节点和半有源电子标签恰好具有这种性质。
Ferri M提出方案中的储能电容的控制电路中包含一个迟滞比较器,需要附加的太阳能电池给其供电,这个辅助的太阳能电池会占用很大的面积,提高了集成电路的制作成本;方案中的其他电路功耗也可以继续降低;此方案只在负载电流为0.9 μA进行了仿真,当负载电流增大时,此方案的应用仍然存在着诸多不稳定因素。
在Ferri M提出的方案的基础上,本文优化了电路结构和性能,提出了一种新颖的控制电路结构,采用UMC 0.18 μm CMOS工艺,并进行了充分的仿真验证,使得此方案更具实用性。
本文提出了以下改进,电荷泵采用低阈值的MOS管以提高其能量转换效率;原电路的控制电路需一个高耗能的迟滞比较器并为此加入了一个附加的太阳能电池,本方案所设计的控制电路仅在开关关闭和导通之间有微量的能量损耗,稳定时功耗基本为零,无需制作辅助太阳能电池,节约了版图面积和制作成本;优化了线性稳压器电路,使稳压器的静态电流低于1.5 μA,提高了储能电容中能量的利用率。改进的电源管理系统结构如图1所示,系统分为四大部分,能量收集模块,储能电容,控制电路和稳压输出部分。
图1 电路框图及工作原理
能量收集模块将CMOS太阳能电池的输出电压升高,并将能量储存在储能电容Cs中。控制电路时刻监视着储能电容上的电压,在电压被提升到2.5 V之前,控制电路中的开关断开,使得储能过程Cs不会向后续电路泄放能量。当储能电容Cs上电压达到2.5 V时,控制电路中开关闭合,Cs与后续电路相连,通过线性稳压器(LDO)给负载提供稳定的1.8 V电压。当储能电容Cs上能量泄放完毕,控制电路中的开关断开,储能电容重新开始充电,重复以上过程。于是整个电源管理系统可以周期性地给负载供电。
能量收集模块包含一个环形振荡器,一个电荷泵,电路结构如图2所示,电荷泵将CMOS太阳能电池的输出电压提升到2.5 V,将能量储存在储能电容Cs中。
图2 能量收集模块
振荡器和电荷泵的输入由CMOS太阳能电池直接供给,为了使振荡器和电荷泵正常工作,输入电压要尽可能高,也就是要使CMOS太阳能电池的工作点尽量靠近其开路电压,以让其近似等效为一个输出电压为开路电压的电压源(此电压近似为0.458 V[10])。在输入电压0.458 V 时仿真结果显示振荡器的功耗为2 μW,电荷泵给储能电容的充电电流约不超过1 μA,所以文献[10]中的太阳能电池面积稍加增大,就足以保证CMOS太阳能电池的工作点在其开路电压附近。
为了使储能电容上的电压上升到2.5 V,电路采用8级Dickson电荷泵结构,如图用二极管接法的MOS管构成一个链路,时钟脉冲经电容耦合到各个节点,利用二极管的单向导电性和电容具有存储电荷的特性,在两相不交叠的时钟脉冲的驱动下,将电荷从输入端推向输出端。随着输出端电容上电荷的不断积累,电压也就不断上升。此处采用低阈值MOS管,由于其阈值电压较低,降低了电荷泵的逐级电压损耗,提高了电荷泵的效率。
三个反相器级联构成环形振荡器,为了在电荷泵转换效率和储能电容充电时间之间达到最好的折中,振荡器输出脉冲频率设置为1.67 MHz。
储能电容Cs充电时,必须与后续电路断开,使电荷泵的输入电流足够小,保证太阳能电池的工作点在Cs充电过程中始终位于开路电压附近。当储能电容上的电压达到2.5 V时,储能电容Cs要能与后续电路及时相连,为负载提供能量。当储能电容Cs上能量泄放完毕后,又必须与后续电路断开,以完成下一周期的储能过程。
为了实现以上功能,同时达到最低功率损耗,本文提出了一种全新的能量管理模块,不包含迟滞比较器,结构简单,静态功耗为零。电路结构如图3所示。
图3 控制电路
控制电路包含一个电压感应模块和一个PMOS开关M6。Vs是储能电容Cs上的电压。一串以二极管接法NMOS管等效为一个大电阻,与电容C1串联。M1和M2控制着 C1的放电回路。M3,M4,M5和R0构成一个非平衡反相器,其输出低电位为零,输出高电位比Vs略低,它与Vs的压差能够保证开关M6截止。
开关电路的工作过程如下,电荷泵给储能电容Cs充电过程中,Vs的上升,C1上电压VC1随之升高,C1的串联电阻使C1的充电电流很小,所以VC1升高速度远慢于Vs,在储能电容Cs上电压上升到2.5 V之前,VC1相当于低电位,不足以使M1打开,VC1经过两级反相控制非平衡反相器输出高电位,开关M6截止。M1截止C1不放电,VC1跟随Vs持续上升。
当储能电容Cs上电压达到2.5 V时,VC1上升到高电位,M1导通,三级反相之后非平衡反相器输出为零,开关M6打开,储能电容Cs向后续电路泄放能量。此时 Vout为1.8 V,M2截止,C1仍然不放电,Vs继续给C1充电,使开关M6能够保持一段时间导通,在这段时间内储能电容Cs放掉相当多的电荷使Vs足够低,LDO进入截至区,输出电压Vout近似为零,此时M2管导通,C1通过M1和M2快速放电,使VC1为低电位,关断开关M6。储能电容Cs上电压再次上升,VC1跟随Vs,控制电路进入下一个工作周期。控制电路仿真结果如图5所示。
将MOS管偏置在亚阈值工作区已成为一个重要的低压低功耗设计方法,采用亚阈值型CMOS基准电压源和运算放大器的设计已有报道[11-14]。为了给负载提供1.8 V的电压,本文设计了一个MOS管工作于亚阈值区的线性稳压电器。它包含一个带隙基准和一个负反馈稳压电路,当储能电容Cs电压达到一定高度时,PMOS开关打开,稳压器开始工作。稳压器的电路图如图4所示。
图4 线性稳压器电路图
M1,M2,C2构成带隙基准的启动电路,电源通过M2启动电路,最终C2两端电压上升到Vin关断M2,此时M1和M2都没有电流流过,启动电路静态功耗为零。
带隙基准给LDO提供一个稳定的参考电压Vbg,电路采用简单放大器生成PTAT电流,电流流过R2和Q3产生零温度系数电压。
稳压器中通过一个增益足够大的运算放大器引入深度负反馈来达到稳定输出,输入电压在1.86 V到2.5 V之间时工作在稳压区,为负载提供1.8 V稳定电压。
在输出电流为30 μA时,LDO压差为60 mV,静态电流不超过1.5 μA,小于文献[1]中的损耗。
得益于标签低功耗技术的进步,标签的总体功耗一般可控制在几十微瓦。对于这样低的功率需求,本设计中储能电容选为微法级别,如果采用片上电容,占用面积很大,成本很高,所以储能电容采用片外器件。系统的负载是周期性短时间工作的,其中供电时间是由片外电容的大小决定,电容越大,储能电容上升到2.5 V时,电容上储存的电荷越多,当其给LDO供电时,电压从2.5 V下降到1.86 V的时间越长。为了保证储能电容上的电压在上升到2.5 V之前控制电路中PMOS开关断开,控制电路中的电容C1也应该按比例随储能电容的增大而增大,C1越大,C1上电压上升的时间就越慢,开关断开的时间就越长,从而保证了储能电容Cs上电压能稳定上升到2.5 V。
本电路中的储能电容选用漏电电流很小的钽电容。当储能电容为 1 μF,负载电流 30 μA,C1为 8 pF时,储能电容电压Vs,LDO输出电压Vout,控制电路电容电压VC1周期变化曲线如图5所示。
图5 储能电容电压Vs,LDO输出电压Vout,控制电路电容电压VC1周期变化曲线
在UMC 0.18 μm CMOS 工艺下,本文将设计的电源管理系统作为一个整体电路设计了版图,如图6所示。
图6 UMC 0.18 μm CMOS工艺下电源管理系统整体版图
通过寄生参数的提取,最终得到后仿结果。负载变化时,供电时间也随之变化,图7显示了储能电容为1 μF时供电有效时间随负载电流的变化。当负载电流为30 μA时,随着储能电容的变化,一周期内的有效供电时间变化如图8所示。储能电容为1 μF,一个周期可达到大于20 ms的供电时间,可以满足ISO/IEC WD 18000-6REV1协议中标签的供电需求。
图7 供电周期内的有效供电时间随负载电流的变化周期变化曲线(Cs为1 μF)
图8 供电周期内的有效供电时间随储能电容的变化曲线(ILOAD为 30 μA)
本文设计了一款CMOS太阳能电池的电源管理系统,使得CMOS太阳能电池可为电路系统片上供电。本系统适用于周期性短时间工作的电路,可以集成在传感器网络节点和半有源电子标签中为其供电。本系统的控制电路能够感知储能电容上的电压变化,并且控制储能电容在恰当的时候向负载供电,最后通过电路系统的回馈信号使控制电路掐断开关,让储能电容进入下一个充电周期。基于UMC 0.18 μm CMOS工艺,在Spectre环境下仿真,当储能电容为1 μF,负载电流为30 μA时,一个周期能够维持大于20 ms的供电时间,有效输出电压1.8 V,LDO压差为60 mV,静态电流小于1.5 μA,达到了ISO/IEC WD 18000-6REV1协议中标签的供电标准,本文将设计的电源管理系统作为一个整体电路设计了版图,版图面积为 713 μm×533 μm。
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