一種超低壓高效輸入自供電整流器電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開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：所述倍壓器電路對模擬輸入電壓整流并擴大輸出電壓擺幅，有源二極管實現電流單向導通，輸出穩定直流電壓，且倍壓器電路的輸出與有源二極管的輸入相連，通過兩者即可實現輸入供電整流。本發明所述整流橋采用倍壓器電路，擴大了輸出電壓范圍，減小了導通壓降，加快轉換速率，采用輸入自供電技術，減少功耗，實現了較高的轉換效率。所述有源二極管采用比較器控制其導通與關斷，實現了單向導通，利用襯底調制技術，避免了閂鎖效應及PN結反向擊穿，更好地滿足了電路的要求。
【專利說明】一種超低壓高效輸入自供電整流器電路

【技術領域】
[0001] 本發明涉及集成電路【技術領域】，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，針對整流器實現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】
[0002] 隨著半導體技術的不斷發展，電路規模的逐漸擴大，電路結構也變得更為復雜，傳 統意義的電池已很難符合當前工藝要求，為解決以上問題，能量獲取技術近幾年受到各界 廣泛關注。能量獲取技術能夠從外界獲取能量并將其轉換為可利用的電能。當前主要能量 來源可分為四種，即振動能、溫差能、光能和射頻能。其中，振動能、溫差能已經在人體嵌入 醫療器械、運動市場、鐘表市場等方面獲得了應用，光能獲取更是近幾年發展最快的新能源 技術之一。而射頻能可從全球數十億個無線發射器獲得，包括移動電話、手持無線電設備、 移動基站、電視/無線廣播臺等，或者使用專用發射機進行控制。與傳統有源系統相比，該 技術具有面積小、功耗低、續航時間長、維持成本低、對環境污染小等優點。
[0003] 圖1所示為能量獲取的電路圖，該能量獲取技術分兩級實現，第一級是通過整流 橋，將輸入端的交流信號轉換成半波信號；第二級是用DC-DC轉換器，將半波信號轉換為穩 定的直流信號，為負載提供穩定輸出電壓，而實現由輸入獲取能量并且提供給負載的目的。


【發明內容】

[0004] 本發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] 本發明的技術方案是：
[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：所述倍壓器電路對模擬輸入電壓整流并擴大輸出電壓擺幅，有源二極管實現電流單 向導通，輸出穩定直流電壓，且倍壓器電路的輸出與有源二極管的輸入相連，通過兩者即可 實現輸入供電整流。
[0007] 作為一種優化的技術方案，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，有源負載包括晶體管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] 作為一種優化的技術方案，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] 作為一種優化的技術方案，所述電阻R1的阻值與電阻R2的阻值相等。
[0010] 作為一種優化的技術方案，所述晶體管MP1與晶體管MP2組成正反饋環，用來增強 信號，加快翻轉速率。
[0011] 作為一種優化的技術方案，所述晶體管MP3在小信號輸入時可以提供滿擺幅輸 出。
[0012] 作為一種優化的技術方案，所述電容CS的一端可以同時控制晶體管MNS和晶體管 MPS的開關。
[0013] 作為一種優化的技術方案，由四個晶體管組成比較器結構控制有源二極管的開 關；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構成電 流鏡作為比較器的負載。
[0014] 作為一種優化的技術方案，所述晶體管MP的尺寸要遠大于晶體管MP4和MP5的尺 寸。
[0015] 作為一種優化的技術方案，所述有源二極管僅在輸入大于輸出時導通，實現了單 向導通。
[0016] 由于采用上述技術方案，與現有技術相比較，本發明由兩級組成，第一級是整流橋 電路，第二級是有源二極管。所述整流橋采用倍壓器電路，擴大了輸出電壓范圍，減小了導 通壓降，加快轉換速率，采用輸入自供電技術，減少功耗，實現了較高的轉換效率。所述有源 二極管采用比較器控制其導通與關斷，實現了單向導通，利用襯底調制技術，避免了閂鎖效 應及PN結反向擊穿，更好地滿足了電路的要求。本發明可用于能量獲取電路中。

【專利附圖】

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

【具體實施方式】
[0022] 為使本發明的目的、技術方案和優點表達得更加清楚明白，下面結合附圖及具體 實施例對本發明再作進一步詳細的說明。
[0023] 本發明所涉及的專業術語說明
[0024] PMOS :P_channel metal oxide semiconductor FET，P 溝道金屬氧化物半導體場 效應晶體管；
[0025] NMOS :N_channel metal oxide semiconductor FET，N 溝道金屬氧化物半導體場 效應晶體管。
[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：所述倍壓器電路對模擬輸入電壓整流并擴大輸出電壓擺幅，有源二極管實現電流單 向導通，輸出穩定直流電壓，且倍壓器電路的輸出與有源二極管的輸入相連，通過兩者即可 實現輸入供電整流。
[0029] 如圖2所示，為第一級整流橋的電路圖，在模擬輸入Vin+大于VhwW，二極管D1導 通，V in對電容C1充電，且輸出Vhw由Vin提供；當Vin+小于V hw時，二極管D2導通，模擬輸入 Vin對電容C2充電，輸出Vhw值由存儲在C1中的能量提供。
[0030] 參照圖3,示出了第一級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構成一個簡單的比較器，當模擬輸入V in值大于Vhw/2,晶體 管麗1關斷，晶體管麗2導通，晶體管MP1的柵端接地，MP1導通，晶體管MP3的柵端輸入為 Vhw，MP3關斷，此時，電容CS不充電，VC為低電平，晶體管MPS導通，模擬輸入Vin對電容C1 充電并且對V hw提供輸出電壓；當模擬輸入Vin值小于Vhw/2值時，晶體管MN2關斷，晶體管 麗1導通，晶體管MP2和晶體管MP3的柵端接地導通，VC為高電平，晶體管麗S導通，模擬輸 入V in對電容C2充電，此時輸出Vhw由存儲在第一電容C1中的能量提供。
[0031] 為提高轉換速率，由晶體管MP1和晶體管MP2組成一個正反饋環來加強信號。當 輸入電壓很小時，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振。該 整流橋采用倍壓器結構，擴大了輸出電壓范圍，減小了導通壓降，保證輸入較低時可以正常 工作，同時采用輸入自供電技術，減少額外能量消耗，提高能量轉換效率。
[0032] 參照圖4,示出了第二級有源二極管的電路原理圖。當Vhw大于Vwt時，MP4的柵源 電壓先達到閾值電壓，MP4導通，將MN4與麗5的柵級接到高電位，鏡像電路工作，致使MP導 通，V hw對輸出Vwt充電。當比Vhw大時，工作狀態與上述相反，MP關斷，阻止電流逆向流 動。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，晶體管MP4和MP5工作在飽和區，流經 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· 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，且Ki = μ PCM (W/L) i °
[0041] 為了減少功耗，提高轉換效率，由公式（3)可知，IDS,4/I DS,MP的值必須足夠小，即晶 體管MP的尺寸要遠大于晶體管MP4和MP5的尺寸。
[0042] 初始時刻，晶體管MP處在弱反型區，VDS,MP為定值且與晶體管MP1與MP2的尺寸比 例有關。隨著電流增大，MP進入強反型區，VDS,MP隨之變化，即

【權利要求】
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：所述倍壓器電路對模擬輸入電壓整流并擴大輸出電壓擺幅，有源二極管實現電流單向 導通，輸出穩定直流電壓，且倍壓器電路的輸出與有源二極管的輸入相連，通過兩者即可實 現輸入供電整流。
2. 如權利要求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，有源負載包括晶體管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，用來增強信號，加快翻轉速率。
6. 如權利要求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在小信號輸入時可以提供滿擺幅輸出。
7. 如權利要求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 的一端可以同時控制晶體管麗S和晶體管MPS的開關。
8. 如權利要求1所述的超低壓高效輸入自供電整流器電路，其特征在于：由四個晶體 管組成比較器結構控制有源二極管的開關；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構成電流鏡作為比較器的負載。
9. 權利要求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 的尺寸要遠大于晶體管MP4和MP5的尺寸。
10. 權利要求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導通，實現了單向導通。
【文檔編號】H02M7/217GK104092390SQ201410362585
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】李婭妮, 張超林, 劉簾曦, 朱樟明, 楊銀堂 申請人:西安電子科技大學