周围各种能量收获已被证实是一个可行的方法,增加无线系统寿命,同时减少对电池的依赖。依赖周围的刺激,无线电频率、太阳能、和机械振动可以作为能源利用的能源收获( 1]。排除电池大大有利于某些应用程序(如嵌入式医疗设备和无线传感器节点,替换的电池是昂贵的或不切实际的 2, 3]。能量收集这些应用程序显示一个可行的答案。基于振动能量的矿车非常适合系统等一些技术环境的建筑,汽车,飞机和引擎。在那里,可以找到有价值的机械振动频带从兆赫到一些千赫( 4),使用压电(PE)发电机转换成电能。压电(PE)能量收集系统提供相当高能密度从10到几百 μW /厘米³( 5- - - - - - 7]。整流器,充当接口电路,需要有效的体育设备的输出交流信号转换成直流信号,可用于操作或其他电路的能量存储起来,供以后使用。接口电路是非常重要的,它决定了从体育设备提取的能量。

各种整流器提出了PE能量收集系统( 1- - - - - - 10]。全桥被动整流器用于低频率PE能量收集系统而导致低效率。一个巨大的电压降不能接受;因此必须避免互补金属氧化物半导体二极管、肖特基二极管。这可以减少压降叠加MOS晶体管的偏置电压到大门口,有效地消除了电压降与阈值电压有关 V t h ( 8]。然而,一个额外的电源电压电路被认为是可用的并不是经常有。CMOS有源整流的想法是一个创新的方法,低电压降和更高的PCE。这些活跃的整流技术交付输出电压几乎等于输入电压加上耗电更少。基于比较器的二极管可以作为一个活跃的元素来克服整流器的电压降问题设计( 9, 10]。比较器的整流开关驱动通过传感正向电压降穿过MOS开关。比较器的抵消引起振荡(比较器输出电容器漏电)降解PCE的整流器的设计。这个问题的解决方案是用一个运放来取代基于比较器的二极管二极管为基础。这些整流器提供直流整流电压通常不到振幅的交流输入电压。输出电压更大的振幅通常需要为特定的低功率应用中,例如,数字基带射频识别电路中电源电压3 - 5 × V t h 是必要的( 11]。倍压器电压整流结构可以用作它提供直流输出正比于临近的两个输入信号幅度但降解PCE的结果 10]。本文自偏压活跃倍压器的设计饲料由低频PE传感器,因为它是容易获得并提供输出效率高。一个1 μF(负载电容是用来存储回收能源和用于偏差电压放大器的有源元件。因此,被动二极管可能取而代之的是主动二极管实现大的输出电压,提高了PCE。

本文安排如下。对PCE计算节中给出 2。传统的倍压器电路的操作中讨论部分 3。提出了自偏压活跃倍压器的设计提出了部分 4。运算放大器的设计提出了采用部分 5。0.15使用CMOS模拟结果 μ米技术节奏提供了部分 6。

权力来自振动能量来源可能是不受监管的,交流,和/或小。因此,在这种情况下就占主导地位的提高整流器的PCE。精密整流器的输出可以是下一阶段的输入或另一个活跃的元素力量,需要更大的PCE,以便下一阶段提供更多的直流输出电压与可行的正确操作的效率。如果第一阶段的PCE是坏的,第二个阶段是无用的,用于进一步的操作。

PCE的最大化整个系统主要依赖于整流电路的性能。事实上,增强PCE的整流器是一种独特的和有效的方法,提高整个系统的效率。这是因为前端的性能通常是限制区域的监管。例如,允许的最大输电在日本和美国是4 W ( 11]。

整流电路的功率转换效率(PCE)被描述成比例的输出功率与输入功率。输入功率等于整流器+输出功率的损失。因此,PCE可以表示为 (1) P C E = P O U T P 我 N = P O U T P O U T + P l O 年代 年代 。 进一步阐述的定义, P l O 年代 年代 被定义为 (2) P l O 年代 年代 = N · P D 我 O D E 。 P D 我 O D E 二极管和损失 N 二极管的总数阶段( 10, 11]。当电流流过二极管,二极管的电阻损耗产生损失,表示为 (3) P D 我 O D E = P F W D + P R E V 。

P F W D 二极管下降和吗 P R E V 二极管反向下降。发现这两个二极管电压刺激和二极管的反向电流泄漏。因此,反向漏电流正向电压降和需要实现整个采集系统的大型PCE。

传统的被动倍压器( 12电路如图 1。

电路的组合两个级联的部分:一个是钳位电路形成的 C 1 和 D 1 ,第二个是整流电路由峰值 C 2 和 D 2 。二极管 D 1 在积极进行周期存储输入电压的一半 C 1 。假设理想的二极管,夹的输出电压 V D 1 如图 2当正弦输入。

二极管 D 2 在负半周进行结果的负峰−2 V 我 n 而正峰夹为0 V。峰值检波器的输出 C 2 给出了直流电压−2 V 我 n 。以来的电路称为倍压器输出电压比输入电压的两倍。

传统的二极管被二极管连接取代金属氧化物半导体晶体管如图 3。二极管连接的NMOS晶体管连接在系列和一个中间节点通过耦合电容器连接到输入终端 C C ( 11]。

有效刺激电压的二极管连接金属氧化物半导体晶体管实际上相当于 V t h MOS晶体管的小于pn结二极管,然而大部分大于肖特基二极管。因此,使用这个简单的二极管连接整流器MOS设置达到大的电压和大PCE。

不同的能源有不同类型的传感器。射频传感器基本上是一个天线的功率非常小。美联储是阻抗匹配电路和PCB变压器得到适当的交流电压( 13]。这个电压信号应用于整流器的输入。匹配网络电路在这项研究中被忽略,因为它已经超出了本文的范围。体育与悬臂式电容传感器由电压源用于较低的工作频率。

图 4显示该自偏压活跃倍压器电路。NMOS晶体管MN1用作二极管和电路配置的超级二极管只有一个反相放大器用于矫正目的实现大型PCE。另一NMOS晶体管MN2连接到负载电容 C l 和负载电阻 R l 形成积极的倍压器。

没有附加直流电源需要偏见在放大器;相反,偏压是获得收获的一部分能量。因此,在放大器必须从一个积极的有偏见的供应。输出直流电压 V o u t 被连接到 V D D 运放的意义提出了倍压器电路是自给偏压结合有源元件。

有源元件不工作的开始过程中作为输入电压不够大提供偏置放大器。存储在电容器的能量很小,运算放大器需要操作可行的直流电压。因此,在启动电压倍压器的操作是由身体的二极管MN1来源。拟议中的有源倍频器电路可以被认为是两个平行的整流阶段:被动的只能在启动和高效活性占当运放开始工作。

提出了有源倍频器电路的工作解释如下。在每个输入周期的一个NMOS二极管和其他了。在创业期间,当输入周期是正数,MN2存储能量 C l 虽然MN1。在负半周,MN1进行源操作虽然MN2。由于身体的能量存储在存储电容 C l 在这个操作和偏见在放大器反馈。在放大器需要一定的直流电压正常工作。整流器的运放主导设计的时候足够的电压操作。运放的输出连接到门口MN1 NMOS开关。当AC输入是正的,反相放大器的输出成为零配置和二极管MN1剪除。运放的输出不去-饱和水平;相反,它是零运算放大器是使用单一的供应和减少了反向渗漏损失。交流输入电压从二极管MN2输出存储电容 C l 有一些损失二极管的导通电阻。当AC输入是负的,运放的输出增加和电压降使MN1 MN1减少而二极管MN2剪除。输出开始慢慢减少,下一个输入时变得更加良性循环。

简单的二极管连接NMOS晶体管MN2不是配置为超级二极管。倍压器电路的原理是,只有一个二极管应该进行在特定周期的一半。MN2设置MN1等积极的二极管时,两个二极管MN1和MN2会同时打开或关闭特定的周期中。在正半周,晶体管都是,都是在负面循环。原因是活跃的二极管都相同类型的配置和有相同类型的晶体管。问题发生即使MN1用作被动二极管和MN2主动二极管和原因都是一样的,都同时活跃的二极管。

的一些收获能量被用来操作运算放大器,所以它的能源消耗应该尽可能小。基于运放的主要障碍活跃的整流器是运放本身需要直流电源。有两个缺点如果直流电源用于运放。首先,额外的元素和额外的价格必须支付每一次电路用于特定的应用程序。其次,外部直流供电的增加意味着系统不是真正收获能量。

可以消除上述缺陷如果基于运放的直流供电的整流来自收获能量。当运放的直流供电来自收获能量,没有必要的额外供应。它节省了价格。电容器的储能是正电压直流,这能量是在放大器反馈给偏见。因此,必须单端放大器供应只有积极直流整流电压来自活跃的倍压器的输出。现在,唯一的问题是在放大器的功耗。如果在放大器功耗小于其余部分的PCE活跃整流器可以改善;否则没有使用运放的整流器的设计。

虽然双运放是有利于实现供应,有许多应用程序在单一供应运放是必需的。例如,在海洋和汽车设备、电池供电提供了单一的供应。单供应运放的主要优势之一是低功耗,因此它是用于低功率应用,如生物医学植入物和无线传感器节点。但单一供应放大器需要适当的信号偏置;否则在放大器变得不稳定或不提供所需的输出。单一供应微分对MOS配置( 15采用如图 5。

在放大器设计地面兼容,因为美联储从存储电容输入电压。运放的设计工作的最小可能值电压供应。这样活跃的倍压器接管被动就一个非常低的能源储存电容 C l 。NMOS输入差异(M3, M4)使用匹配和输入是这些晶体管的输入来源。活动载荷PMOS晶体管(M1和M2)。这些PMOS晶体管连接在一起的来源连接到直流电源来自存储电容。所有晶体管夹止条件和保护放大器已经仔细优化了更好的性能。

频率响应分析的模拟,在放大器驱动0.6 V直流供电和晶体管宽度和长度都设置为1 μ除了PMOS有功负载、m和长度设置为0.3 μm。在放大器的增益和相位响应模拟,如图 6。

在放大器的增益是41分贝,单位增益频率110 MHz。运放的电流消耗是200 nA在0.6 V供给和增加电源电压。这里使用的直流供电模拟显示的目的。在提议的设计中,运算放大器是自偏压如前所述。

本文并给出了仿真结果并与被动倍压器电路。采用PE传感器作为输入,因为它是容易获得并提供输出效率高。PE换能器的主要设备之一,可以获取能量从一个按钮按下行动,产生高投入低频率( 14]。模拟传感器的目的是实现一个交流电压源,因为传感器的输出是一个交变电信号。仿真结果证明了在这一节中进行使用节奏艺术大师与低频0.15模拟器 μm CMOS工艺技术。在放大器晶体管宽度和长度都设置为1 μm除了PMOS长度,它被设置为0.3 μm。活跃的倍压器电路操作在200 Hz 0.8 V输入供应。存储电容器 C l 设置为1 μF和 R l = 2 0 K Ω 。NMOS晶体管比率将18岁 μ/ 0.15 μ。阈值电压NMOS和PMOS 0.5 V和0.15−0.56 V采用低频 μm CMOS工艺技术。

提出的自偏压活跃倍压器适用于低功率能量收集系统的应用程序。活跃的倍压器开始运行0.5 V输入和达到更大的PCE在高输入。拟议中的整流器达到61.7%的功率转换效率(PCE)条件下的200 Hz操作频率、0.8 V输入信号20 k Ω 负载电阻。PCE是2倍与被动倍压器相比。自偏压活跃倍压器电路将在生物医学设备和无线传感器节点用于直接驱动或可充电电池充电。这项工作可以扩展到多级整流电路设计提供了更大的直流输出电压电源远程设备,同时保持可接受的PCE。