本文關(guān)鍵詞：用于射頻能量收集的集成RF-DC轉(zhuǎn)換器的開發(fā)

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【摘要】：電池的有限的電池容量和續(xù)航能力,限制了無線傳感節(jié)點在物聯(lián)網(wǎng)(IoT,Internet of Thing),無線人體局域網(wǎng)(WBAN,Wireless Body Area Network),傳感鏈以及其他重要場合的應(yīng)用,例如,環(huán)境監(jiān)測,人體生理數(shù)據(jù)采集,植入式芯片等。射頻能量收集為無線傳感結(jié)點的長時間供電提供了可能性。尤其是隨著物聯(lián)網(wǎng)市場和無線人體局域網(wǎng)市場的擴張,可持續(xù)的能量來源變得越發(fā)的重要。射頻(RF,Radio Frequency)能量可以滿足上述的要求,是一種可行的能量來源。通過使用射頻能量供電,一個傳感節(jié)點就可以長時間的,進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出,而不需要額外的干預(yù)和維護。本論文的主要工作是設(shè)計一個可集成的射頻-直流(RF-DC,Radio Frequency-Direct Current)轉(zhuǎn)換器,且轉(zhuǎn)換器能夠在低信號輸入時仍然有較高的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE,Power Conversion Efficiency)。關(guān)于動能,太陽能和溫度的環(huán)境能量收集的研究和應(yīng)用都已經(jīng)比較成熟,但是這些能量來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熱點之一,主要原因是RF能量幾乎是無處不在,無時不在。但是基于安全考慮,通常環(huán)境中能獲取的RF能量都很微弱,因此RF能量收集只適合于低功耗應(yīng)用場景。本論文的研究內(nèi)容主要圍繞著,如何設(shè)計一個低輸入信號,高轉(zhuǎn)換效率的RF-DC轉(zhuǎn)換器進行的。在本課題中,我們引入了相應(yīng)的優(yōu)化方法使得RF能量收集系統(tǒng)能夠工作在低輸入幅值的情況下,功率轉(zhuǎn)換效率還比較高。整體的設(shè)計是基于對Dickson電荷泵的優(yōu)化。設(shè)計過程中研究了輸入信號水平,轉(zhuǎn)換器件的閾值電壓,不同情況的偏置,寄生電容以及漏電流對整個系統(tǒng)性能的影響�；谶@些分析,設(shè)計了多種可集成的,基于CMOS工藝的RF-DC轉(zhuǎn)換器。在這些轉(zhuǎn)換電路中,都是使用標準的MOS管作為轉(zhuǎn)換器件,對這些轉(zhuǎn)換器件的閾值電壓作了補償。同時引入了全波結(jié)構(gòu),使得功率轉(zhuǎn)換效率大大的提升。整個電路設(shè)計是具有SMIC40nmCMOS工藝,電路的輸入信號幅值被減小到300mV,且能維持輸入電壓在1.1 V附近,最大的功率轉(zhuǎn)換效率到37%。本論文的主要創(chuàng)新點如下:1)對RF-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)進行了詳細的分析;2)提出了一種全波RF-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)具有低輸入信號幅值,小芯片面積和高功率轉(zhuǎn)換效率的特點;3)引入體偏置技術(shù)和閾值電壓自補償技術(shù)來降低閾值電壓,提升功率轉(zhuǎn)換效率;4)所有的電路都是基于標準CMOS40nm工藝設(shè)計和實現(xiàn)的。5)提出一種多輸出結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)依據(jù)不同的負載需求提供不同的輸出電壓。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM46

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本文編號：1272489