一種超低壓高效輸入自供電整流器電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種超低壓高效輸入自供電整流器電路，包括倍壓器電路和有源二極管，其特征在于：所述倍壓器電路對(duì)模擬輸入電壓整流并擴(kuò)大輸出電壓擺幅，有源二極管實(shí)現(xiàn)電流單向?qū)?，輸出穩(wěn)定直流電壓，且倍壓器電路的輸出與有源二極管的輸入相連，通過(guò)兩者即可實(shí)現(xiàn)輸入供電整流。本發(fā)明所述整流橋采用倍壓器電路，擴(kuò)大了輸出電壓范圍，減小了導(dǎo)通壓降，加快轉(zhuǎn)換速率，采用輸入自供電技術(shù)，減少功耗，實(shí)現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)換效率。所述有源二極管采用比較器控制其導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了單向?qū)?，利用襯底調(diào)制技術(shù)，避免了閂鎖效應(yīng)及PN結(jié)反向擊穿，更好地滿足了電路的要求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種超低壓高效輸入自供電整流器電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及用于能量獲取的超低壓高效輸入自供電 整流器電路，針對(duì)整流器實(shí)現(xiàn)了高效低電壓整流的目的，主要用于能量獲取電路。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，電路規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，電路結(jié)構(gòu)也變得更為復(fù)雜，傳 統(tǒng)意義的電池已很難符合當(dāng)前工藝要求，為解決以上問(wèn)題，能量獲取技術(shù)近幾年受到各界 廣泛關(guān)注。能量獲取技術(shù)能夠從外界獲取能量并將其轉(zhuǎn)換為可利用的電能。當(dāng)前主要能量 來(lái)源可分為四種，即振動(dòng)能、溫差能、光能和射頻能。其中，振動(dòng)能、溫差能已經(jīng)在人體嵌入 醫(yī)療器械、運(yùn)動(dòng)市場(chǎng)、鐘表市場(chǎng)等方面獲得了應(yīng)用，光能獲取更是近幾年發(fā)展最快的新能源 技術(shù)之一。而射頻能可從全球數(shù)十億個(gè)無(wú)線發(fā)射器獲得，包括移動(dòng)電話、手持無(wú)線電設(shè)備、 移動(dòng)基站、電視/無(wú)線廣播臺(tái)等，或者使用專(zhuān)用發(fā)射機(jī)進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)有源系統(tǒng)相比，該 技術(shù)具有面積小、功耗低、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、維持成本低、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 圖1所示為能量獲取的電路圖，該能量獲取技術(shù)分兩級(jí)實(shí)現(xiàn)，第一級(jí)是通過(guò)整流 橋，將輸入端的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成半波信號(hào)；第二級(jí)是用DC-DC轉(zhuǎn)換器，將半波信號(hào)轉(zhuǎn)換為穩(wěn) 定的直流信號(hào)，為負(fù)載提供穩(wěn)定輸出電壓，而實(shí)現(xiàn)由輸入獲取能量并且提供給負(fù)載的目的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供了一種用于能量獲取的超低壓高效輸入自供電整流器電 路，以完成能量犾取。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] -種超低壓高效輸入自供電整流器電路，包括倍壓器電路和有源二極管，其特征 在于：所述倍壓器電路對(duì)模擬輸入電壓整流并擴(kuò)大輸出電壓擺幅，有源二極管實(shí)現(xiàn)電流單 向?qū)?，輸出穩(wěn)定直流電壓，且倍壓器電路的輸出與有源二極管的輸入相連，通過(guò)兩者即可 實(shí)現(xiàn)輸入供電整流。
[0007] 作為一種優(yōu)化的技術(shù)方案，所述倍壓器電路包括晶體管MN1和晶體管MN2組成差 分輸入對(duì)，有源負(fù)載包括晶體管MP1及晶體管MP2組成，晶體管MP3作為共源放大器，晶體 管麗3是有源負(fù)載，電阻R1和電阻R2組成電阻分壓器，晶體管MPS和晶體管麗S是有源 二極管，其余三個(gè)電容分別為Cl，C2和CS，模擬交流電源V in+和Vin-作為模擬輸入；晶體 管麗1的漏端分別與晶體管MP1的漏端、晶體管MP2的柵端和晶體管MP3的柵端相連，源端 與體端相連并接地，柵端與電阻分壓器的輸出端相連，晶體管MN2的漏端分別與晶體管MP1 的柵端，晶體管MP2的漏端相連，源端與體端相連并接地，柵端接模擬輸入電平V in+，晶體管 麗3的漏端分別與柵端，晶體管MP3的漏端，晶體管麗S的柵端，晶體管MPS的柵端，電容CS 相連，源端與體端相連并接地，晶體管麗S的漏端接模擬輸入電平Vin+，與晶體管MPS的漏端 相連，源端與體端相連并接地，晶體管MP1的源端與體端相連并接模擬輸出V hw，晶體管MP2 的源端與體端相連并接模擬輸出Vhw，晶體管MP3的源端與體端相連并接模擬輸出V hw，晶體 管MPS的源端與體端相連并接模擬輸出Vhw，電容Cl 一端與電容C2和模擬輸入Vin-相連，另 一端接模擬輸出Vhw，電容C2 -端與電容C1和模擬輸入Vin-相連，另一端接地，電容CS - 端分別與晶體管麗3的柵端，晶體管麗S的柵端，晶體管MP3的漏端，晶體管MPS的柵端相 連，電容CS的另一端接地，電阻分壓器的輸出端與晶體管MN1的柵端相連，另外兩端分別接 模擬輸出V hw和地。
[0008] 作為一種優(yōu)化的技術(shù)方案，所述晶體管MN1的尺寸與晶體管MN2的尺寸相同，且制 造工藝相同。
[0009] 作為一種優(yōu)化的技術(shù)方案，所述電阻R1的阻值與電阻R2的阻值相等。
[0010] 作為一種優(yōu)化的技術(shù)方案，所述晶體管MP1與晶體管MP2組成正反饋環(huán)，用來(lái)增強(qiáng) 信號(hào)，加快翻轉(zhuǎn)速率。
[0011] 作為一種優(yōu)化的技術(shù)方案，所述晶體管MP3在小信號(hào)輸入時(shí)可以提供滿擺幅輸 出。
[0012] 作為一種優(yōu)化的技術(shù)方案，所述電容CS的一端可以同時(shí)控制晶體管MNS和晶體管 MPS的開(kāi)關(guān)。
[0013] 作為一種優(yōu)化的技術(shù)方案，由四個(gè)晶體管組成比較器結(jié)構(gòu)控制有源二極管的開(kāi) 關(guān)；所述晶體管MP4與晶體管MP5相連作為比較器的輸入，晶體管MN4和晶體管麗5構(gòu)成電 流鏡作為比較器的負(fù)載。
[0014] 作為一種優(yōu)化的技術(shù)方案，所述晶體管MP的尺寸要遠(yuǎn)大于晶體管MP4和MP5的尺 寸。
[0015] 作為一種優(yōu)化的技術(shù)方案，所述有源二極管僅在輸入大于輸出時(shí)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了單 向?qū)ā?br> [0016] 由于采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明由兩級(jí)組成，第一級(jí)是整流橋 電路，第二級(jí)是有源二極管。所述整流橋采用倍壓器電路，擴(kuò)大了輸出電壓范圍，減小了導(dǎo) 通壓降，加快轉(zhuǎn)換速率，采用輸入自供電技術(shù)，減少功耗，實(shí)現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)換效率。所述有源 二極管采用比較器控制其導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了單向?qū)?，利用襯底調(diào)制技術(shù)，避免了閂鎖效 應(yīng)及PN結(jié)反向擊穿，更好地滿足了電路的要求。本發(fā)明可用于能量獲取電路中。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為能量獲取技術(shù)電路圖；
[0018] 圖2為第一級(jí)整流橋的電路圖；
[0019] 圖3為第一級(jí)整流橋的核心電路原理圖；
[0020] 圖4為第二級(jí)有源二極管的電路原理圖；
[0021] 圖5為第二級(jí)有源二極管的襯底調(diào)制電路原理圖；

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)表達(dá)得更加清楚明白，下面結(jié)合附圖及具體 實(shí)施例對(duì)本發(fā)明再作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0023] 本發(fā)明所涉及的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)說(shuō)明
[0024] PMOS :P_channel metal oxide semiconductor FET，P 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng) 效應(yīng)晶體管；
[0025] NMOS :N_channel metal oxide semiconductor FET，N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng) 效應(yīng)晶體管。
[0026] Divider resistors :電阻分壓器。
[0027] C :Capacitance，電容。
[0028] -種超低壓高效輸入自供電整流器電路，包括倍壓器電路和有源二極管，其特征 在于：所述倍壓器電路對(duì)模擬輸入電壓整流并擴(kuò)大輸出電壓擺幅，有源二極管實(shí)現(xiàn)電流單 向?qū)?，輸出穩(wěn)定直流電壓，且倍壓器電路的輸出與有源二極管的輸入相連，通過(guò)兩者即可 實(shí)現(xiàn)輸入供電整流。
[0029] 如圖2所示，為第一級(jí)整流橋的電路圖，在模擬輸入Vin+大于VhwW，二極管D1導(dǎo) 通，V in對(duì)電容C1充電，且輸出Vhw由Vin提供；當(dāng)Vin+小于V hw時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，模擬輸入 Vin對(duì)電容C2充電，輸出Vhw值由存儲(chǔ)在C1中的能量提供。
[0030] 參照?qǐng)D3,示出了第一級(jí)整流橋的核心電路原理圖。電阻分壓器的R1和R2阻值 相等，晶體管麗1和晶體管麗2構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的比較器，當(dāng)模擬輸入V in值大于Vhw/2,晶體 管麗1關(guān)斷，晶體管麗2導(dǎo)通，晶體管MP1的柵端接地，MP1導(dǎo)通，晶體管MP3的柵端輸入為 Vhw，MP3關(guān)斷，此時(shí)，電容CS不充電，VC為低電平，晶體管MPS導(dǎo)通，模擬輸入Vin對(duì)電容C1 充電并且對(duì)V hw提供輸出電壓；當(dāng)模擬輸入Vin值小于Vhw/2值時(shí)，晶體管MN2關(guān)斷，晶體管 麗1導(dǎo)通，晶體管MP2和晶體管MP3的柵端接地導(dǎo)通，VC為高電平，晶體管麗S導(dǎo)通，模擬輸 入V in對(duì)電容C2充電，此時(shí)輸出Vhw由存儲(chǔ)在第一電容C1中的能量提供。
[0031] 為提高轉(zhuǎn)換速率，由晶體管MP1和晶體管MP2組成一個(gè)正反饋環(huán)來(lái)加強(qiáng)信號(hào)。當(dāng) 輸入電壓很小時(shí)，晶體管MP3可以提供滿擺幅輸出。電容CS避免有源二極管形成環(huán)振。該 整流橋采用倍壓器結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了輸出電壓范圍，減小了導(dǎo)通壓降，保證輸入較低時(shí)可以正常 工作，同時(shí)采用輸入自供電技術(shù)，減少額外能量消耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率。
[0032] 參照?qǐng)D4,示出了第二級(jí)有源二極管的電路原理圖。當(dāng)Vhw大于Vwt時(shí)，MP4的柵源 電壓先達(dá)到閾值電壓，MP4導(dǎo)通，將MN4與麗5的柵級(jí)接到高電位，鏡像電路工作，致使MP導(dǎo) 通，V hw對(duì)輸出Vwt充電。當(dāng)比Vhw大時(shí)，工作狀態(tài)與上述相反，MP關(guān)斷，阻止電流逆向流 動(dòng)。由圖4可以得出
[0033] Vgs,4| = |VgSjMP
[0034] vds,Mp| = |vgs,4|-|vgs,5 a)
[0035] 由公式（1)可得，晶體管MP工作在線性區(qū)，晶體管MP4和MP5工作在飽和區(qū)，流經(jīng) 兩者的電流可分別表示為
[0036] I Ids, mp 丨-KMP [ | (VgSj MP_VTP) VDSj | _VDSj MP /2]
[0037] IDS,4| =K4(Vgs,4-VTP)2/2 (2)
[0038] 由公式⑵可得到
[0039] I IDS,4/1隊(duì)· I =^/^(1-1(4) ⑶
[0040] 其中，K"p，K4和K5分別表示晶體管MP，MP4和MP5的比例系數(shù)，且Ki = μ PCM (W/L) i °
[0041] 為了減少功耗，提高轉(zhuǎn)換效率，由公式（3)可知，IDS,4/I DS,MP的值必須足夠小，即晶 體管MP的尺寸要遠(yuǎn)大于晶體管MP4和MP5的尺寸。
[0042] 初始時(shí)刻，晶體管MP處在弱反型區(qū)，VDS,MP為定值且與晶體管MP1與MP2的尺寸比 例有關(guān)。隨著電流增大，MP進(jìn)入強(qiáng)反型區(qū)，VDS,MP隨之變化，即

【權(quán)利要求】
1. 一種超低壓高效輸入自供電整流器電路，包括倍壓器電路和有源二極管，其特征在 于：所述倍壓器電路對(duì)模擬輸入電壓整流并擴(kuò)大輸出電壓擺幅，有源二極管實(shí)現(xiàn)電流單向 導(dǎo)通，輸出穩(wěn)定直流電壓，且倍壓器電路的輸出與有源二極管的輸入相連，通過(guò)兩者即可實(shí) 現(xiàn)輸入供電整流。
2. 如權(quán)利要求1所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：所述倍壓器 電路包括晶體管麗1和晶體管麗2組成差分輸入對(duì)，有源負(fù)載包括晶體管MP1及晶體管MP2 組成，晶體管MP3作為共源放大器，晶體管MN3是有源負(fù)載，電阻R1和電阻R2組成電阻分 壓器，晶體管MPS和晶體管MNS是有源二極管，其余三個(gè)電容分別為Cl，C2和CS，模擬交流 電源V in+和Vin-作為模擬輸入；晶體管麗1的漏端分別與晶體管MP1的漏端、晶體管MP2的 柵端和晶體管MP3的柵端相連，源端與體端相連并接地，柵端與電阻分壓器的輸出端相連， 晶體管麗2的漏端分別與晶體管MP1的柵端，晶體管MP2的漏端相連，源端與體端相連并 接地，柵端接模擬輸入電平V in+，晶體管麗3的漏端分別與柵端，晶體管MP3的漏端，晶體管 麗S的柵端，晶體管MPS的柵端，電容CS相連，源端與體端相連并接地，晶體管麗S的漏端接 模擬輸入電平V in+，與晶體管MPS的漏端相連，源端與體端相連并接地，晶體管MP1的源端與 體端相連并接模擬輸出Vhw，晶體管MP2的源端與體端相連并接模擬輸出V hw，晶體管MP3的 源端與體端相連并接模擬輸出Vhw，晶體管MPS的源端與體端相連并接模擬輸出V hw，電容C1 一端與電容C2和模擬輸入Vin-相連，另一端接模擬輸出Vhw，電容C2 -端與電容C1和模擬 輸入Vin-相連，另一端接地，電容CS -端分別與晶體管麗3的柵端，晶體管麗S的柵端，晶 體管MP3的漏端，晶體管MPS的柵端相連，電容CS的另一端接地，電阻分壓器的輸出端與晶 體管麗1的柵端相連，另外兩端分別接模擬輸出V hw和地。
3. 如權(quán)利要求2所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：所述晶體管 MN1的尺寸與晶體管MN2的尺寸相同，且制造工藝相同。
4. 如權(quán)利要求2所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：所述電阻R1 的阻值與電阻R2的阻值相等。
5. 如權(quán)利要求2所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：所述晶體管 MP1與晶體管MP2組成正反饋環(huán)，用來(lái)增強(qiáng)信號(hào)，加快翻轉(zhuǎn)速率。
6. 如權(quán)利要求2所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：所述晶體管 MP3在小信號(hào)輸入時(shí)可以提供滿擺幅輸出。
7. 如權(quán)利要求2所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：所述電容CS 的一端可以同時(shí)控制晶體管麗S和晶體管MPS的開(kāi)關(guān)。
8. 如權(quán)利要求1所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：由四個(gè)晶體 管組成比較器結(jié)構(gòu)控制有源二極管的開(kāi)關(guān)；所述晶體管MP4與晶體管MP5相連作為比較器 的輸入，晶體管MN4和晶體管麗5構(gòu)成電流鏡作為比較器的負(fù)載。
9. 權(quán)利要求8所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：所述晶體管MP 的尺寸要遠(yuǎn)大于晶體管MP4和MP5的尺寸。
10. 權(quán)利要求8所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：所述有源二極 管僅在輸入大于輸出時(shí)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了單向?qū)ā?br> 【文檔編號(hào)】H02M7/217GK104092390SQ201410362585
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】李婭妮, 張超林, 劉簾曦, 朱樟明, 楊銀堂 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)