自偏置有源电压倍增的能量收集系统

摘要

利用单电源运算放大器用于能量收集系统的有源电压倍增器被呈现。所提出的加倍器用于精馏过程同时实现可接受的高功率转换效率（PCE）和大的整流的DC电压。掺入的运算放大器是自偏置，这意味着没有外部电源需要而是用于其偏置所收集的能量的一部分。The proposed active doubler achieves maximum power conversion efficiency (PCE) of 61.7% for a 200 Hz sinusoidal input of 0.8 V for a 20 K负载电阻器。当与无源电压倍增器相比，这是效率的2倍以上。经整流的直流电压是比传统的被动倍频更近2倍。PCE和所述负载电阻之间的关系也提出。建议积极倍压器的设计和LF 0.15模拟 μ使用Cadence演奏家工具米CMOS工艺技术。

1.简介

各种周围能量收获已被验证为增强无线系统的寿命，而在电池的依赖性降低的可行的方法。对周围的刺激，射频，太阳能和机械振动依托可以用作用于能量收集能源[1]。排除电池对某些应用非常有利，如嵌入式医疗设备和无线传感器节点，在这些应用中替代电池是昂贵的或不现实的[2，3]。能量清除为这些应用提供了一种可行的解决方案。振动能量基于矿车非常适合系统在一些技术环境，如建筑物，汽车，飞机，和发动机。在那里，有价值的机械振动可以在从mHz到kHz的频带内发现[4]并且使用压电（PE）发电机转换为电能。压电（PE）能量收集系统提供了相当高的能量密度从10去几百μW /厘米³[五-7]。整流器，其充当接口电路，要求PE设备的输出AC信号有效地转换成可使用的用于操作其他电路或在能量存储供以后使用的DC信号。因为它决定从PE设备所提取的能量的量的接口电路是非常显著。

各种整流器提出了PE能量收集系统[1-10]。低频PE能量采集系统采用全桥无源整流器，但效率不高。不能接受巨大的电压降;因此，必须避免使用CMOS二极管或肖特基二极管。这种电压降可以通过在MOS晶体管的栅极上叠加一个偏置电压来降低，从而有效地消除了与阈值电压相关的电压降[8]。然而，一个额外的电源电压电路被认为是可用的，这通常不存在。CMOS有源整流器是一种用于低电压降和高PCE的创新方法。这些有源整流器技术提供了几乎等于输入电压的输出电压，并且功耗更低。基于比较器的二极管可以作为有源元件用于克服整流设计中的电压降问题[9，10]。整流器开关由感测跨越MOS开关的正向电压降从比较器来驱动。所述比较器的偏移引起振荡（在电容器中的比较器输出的泄漏），其降低了整流器设计的PCE。针对此问题的解决方案是用一个运算放大器基于二极管来代替比较器基于二极管。这些整流器提供DC较少整流电压比所述AC输入电压的幅度。较大振幅的输出电压通常需要特定的低功率应用中，例如，数字基带电路在RFID标识，其中3-的电源电压 需要[11]。倍压整流器结构可以使用，因为它提供直流输出正比于接近输入信号的幅度，但结果的双重在PCE的降解10]。本文主要研究低频PE换能器自偏压有源倍压器的设计，因为它易于使用，输出效率高。一个1μ利用负载电容的F来存储扫能，并用于偏置倍压器的有源元件。因此，有源二极管可以代替无源二极管来实现大的输出电压和增强PCE。

纸被如下设置。PCE计算的回顾部分中给出2。本节讨论了传统的倍压电路的工作原理3。所提议的自偏置有源电压倍增的设计将在第呈现4。本节给出了所采用的运放设计五。利用CMOS 0.15进行仿真，得到仿真结果μ节中提供米技术的Cadence6。

2.功率转换效率

从振动能量源的电力始发可以不加调节，交替和/或小。因此，在这种情况下，它成为主导，以提高整流器的PCE。作为精密整流器的输出可以是下一级的另一个有源元件的或对电力输入，较大的PCE期望使得下一个阶段给出了具有用于其适当操作可行效率多个DC输出电压。如果第一级的PCE是坏的，则第二阶段是没用的，被用于进一步的操作。

整个系统的PCE的最大化主要依赖于整流电路的性能。事实上，在提高整流器的PCE被认为是提升整个系统的效率独特而强大的方式。这是因为前端的性能通常由地方监管限制。For example, the maximum power transmission allowed in the Japan and US is 4 W [11]。

整流电路的功率转换效率(PCE)用输出功率与输入功率的比值来描述。输入功率等于整流器的损耗加上输出功率。因此，PCE可以表示为 有关定义进一步阐述，被定义为 是二极管中的损耗和是二极管阶段的总数[10，11]。当电流流过二极管，电阻损耗产生二极管损耗，并表示为

为二极管的正向压降与是二极管的反向降。这两个由二极管电压导通并且二极管泄漏反向电流找到。因此，需要较少的正向压降和更低的反向漏电流以实现大PCE整个采集系统。

3.传统的倍压器

传统的无源电压倍增[12]电路示于图1。

该电路的两个级联部分的组合：一个是由形成在钳位电路和 ，和第二是由形成峰值整流器电路和 。二极管在正半周期存储输入电压时导通 。假设理想的二极管，钳位输出电压在图中示出2当正弦输入被施加。

二极管在负半周导通，其结果在负峰值-2while positive peak is clamped to 0 V. The output of the peak detector at给出直流电压为−2 。该电路被称为倍压，因为输出电压高于输入电压的两倍。

传统的二极管被二极管连接的MOS晶体管所取代，如图所示3。二极管连接的NMOS晶体管连接在串联和中间节点经由耦合电容器连接到输入端[11]。

有效导通的二极管连接的MOS晶体管的电压实际上等于它比一个pn结二极管小，但在很大程度上比肖特基二极管大。因此，整流器使用这种直接二极管连接MOS设置实现既不大电压也不大PCE。

4.建议自偏置有源电压倍增

不同的能源有不同类型的传感器。射频传感器基本上是一种功率很小的天线。馈给阻抗匹配电路和PCB Balun，得到合适的交流电压[13]。然后，该电压信号被施加到一个整流器的输入。匹配网络电路在这项研究中被忽略，因为它超出了本文的范围。PE传感器由电压源与用于低工作频率悬臂电容。

数字4展示了所提出的自偏压有源倍压电路。采用NMOS晶体管MN1作为二极管，电路配置逆变超级二极管，只有一个运放用于整流以实现大PCE，另一个NMOS晶体管MN2连接负载电容和负载电阻形成有源倍压器。

有需要的偏置运算放大器不加直流电源;代替偏压从收集的能量的一部分而获得。因此，运算放大器必须从一个正电源偏置。输出DC电压被连接到的运算放大器的意思是，提出的倍频电路是自偏的合并有源元件。

有源元件将不工作在过程的开始，因为输入电压不够大，以提供偏置到运放。储能容量小，运放需要合适的直流电压才能工作。因此，在启动过程中，倍压器的工作受MN1二极管本体源控制。所提出的有源倍频电路可以看作是两个并联整流阶段:无源整流阶段只在启动阶段工作，高效有源整流阶段在运放启动阶段工作。

所提出的有源倍增电路的工作说明如下。在NMOS二极管的每个输入周期一个为ON，其它为OFF。在启动过程中，当输入周期为正时，MN2为ON，在存储的能量而MN1是OFF。在负半周期中，MN1导通，由于体源的操作而MN2截止。的能量被存储在存储电容在此操作过程中，反馈回偏置运放。运放需要一定的直流电压才能正常工作。整流器设计中，当运放得到足够的工作电压时，运放占主导地位。运放的输出端连接到NMOS开关MN1的门上。当交流输入为正时，随着配置的倒转和MN1二极管的切断，运放的输出变为零，运放的输出不达到负饱和水平;由于运放采用单电源，降低了反向漏电损失，使其为零。交流输入电压从二极管MN2到输出存储电容有一些损失，由于二极管的通电阻。当AC输入为负时，运放的输出增加，使MN1接通，降低MN1处的压降，同时切断二极管MN2，输出开始缓慢下降，到下一个输入正周期时下降更大。

简单的二极管连接的NMOS晶体管MN2未配置为超级二极管。倍增电路的原理是，只有其中一个二极管应在特定半个周期内导通。当MN2是设置为等MN1有源二极管，该两个二极管MN1和MN2将在特定的周期为ON或OFF同时。在正半周期，两个晶体管都关闭，并且在负周期均为ON。其原因是，无论是活性二极管具有相同类型的构造，并具有相同类型的晶体管。即使MN1用作无源二极管和MN2有源二极管和原因是相同的，这两个有源二极管是同时ON时出现问题。

5.自偏置OP-AMP

一些所收集的能量被用于操作运算放大器，因此它的能量消耗应该是尽可能地小。在运算放大器基于有源整流器的主要障碍是，运算放大器本身需要直流电源。有两个缺点，如果直流电源用于运算放大器。首先，附加的元件和额外的价格具有每次电路被用于某些应用的时间来支付。其次，增加一个外部直流电源装置，该系统是不是真正收获的能量。

如果直流电源运算放大器基于整流器来自收集的能量上述缺点可以消除。当DC电源运算放大器是从所收集的能量来了，就没有必要额外的供应。它节省的价格。在电容器中存储的能量是正电压DC并且该能量被反馈到偏置运算放大器。因此，运算放大器必须是单端供给作为仅正的直流整流电压被从活性倍增的输出来了。现在，唯一剩下的问题是运算放大器的功耗。如果运算放大器的功耗小于其余部分则有源整流器的PCE可以改善;否则就在整流设计，没有使用运算放大器。

虽然双电源运算放大器是落实有利，也有在需要单电源运算放大器许多应用。例如，在船舶和汽车装备，电池电源提供单电源供电。一的单电源的运算放大器的一个主要优点是低功耗，因此它是用于低功率应用，例如生物医学植入物和无线传感器节点是有用的。但单电源运算放大器需要合适的信号的偏置;否则运算放大器变得不稳定或不提供所需的输出。单个供给差分对MOS构造[15]采用如图五。

由于输入电压来自存储电容，因此设计的运放与地面兼容。运放被设计为工作在电压供应的最小可能的值。在这种方式下，有源倍压接管无源的，一旦一个非常低的能量已经存储到电容 。NMOS输入差速器（M3和M4），使用该匹配和输入被馈送到这些晶体管的源极。有源负载是PMOS晶体管（M1和M2）。这些PMOS晶体管的源极是被连接到从所述存储电容来直流电源连接在一起。所有晶体管处于夹断状态和运算放大器具有更好的性能经过精心优化。

为了进行频率响应分析，在仿真中，运放的电源为0.6 V直流，晶体管的宽度和长度均设为1μ除了PMOS有源负载微米，长度为0.3 μm.对运放的增益和相位响应进行了仿真，如图所示6。

The gain of the op-amp is 41 dB and the unity gain frequency is 110 MHz. The current consumption of the op-amp is 200 nA at 0.6 V supply and it increases with the supply voltage. The DC supply used here is shown for simulation purpose. In the proposed design, the op-amp is self-biased as explained earlier.

6.模拟结果

仿真结果在本文提出并与被动倍压电路进行比较。PE换能器被用作为输入，因为它容易获得，并且提供高的输出效率。PE传感器是可从按钮按压动作中获取能量的主设备中的一个，并在低频产生高输入[14]。用于仿真目的的换能器是由AC电压源，因为换能器输出是交流电信号来实现。在本节中表现出的模拟结果进行使用Cadence的Virtuoso模拟器与LF 0.15 μ米CMOS工艺技术。运算放大器晶体管的宽度和长度都被设定为1 μm除PMOS长度外，设为0.3μ米The active voltage doubler circuit is operating at 200 Hz with 0.8 V input supply. The storage capacitor被设置为1 μF和 K 。NMOS晶体管比设置为18 μ/0.15 μ。采用lf0.15的阈值电压NMOS和PMOS分别为0.5 V和- 0.56 Vμ米CMOS工艺技术。

6.1。瞬态响应

数字7示出在稳定状态下自偏置有源电压倍增的内部电压波形。The output voltage of 0.98 V from  V. The self-biased active voltage doubler achieves power conversion efficiency (PCE) of 61.7% at K 。当与无源电压倍增器相比，这是效率的2倍以上。倍压电路的常规电压给出了30％的PCE在 K输出整流电压为0.48 V。主动倍频器设计的PCE取决于加载条件，这将在本文后面解释。

6.2。工作电压

相对于输入电压的输出电压图形进行模拟，并在图中所示8。输入电压在0.5 V以下，输出电压可以忽略，即小于0.1 V, PCE也较小，在0.5 V之后，输出电压开始增大，有源整流器开始工作，PCE增大。在输入电压0.6 V时，输出电压为0.66 V, PCE为57%，自有源整流器开始工作以来，每0.1 V输入电压增加2倍。在0.8 V时，输出电压为0.98 V，并在更高的输入端平稳地增加。将输出电压与传统的倍压电路进行比较，得到输入电压0.6 V时输出电压0.2 V, PCE为17%。实际上，在所有输入范围内，有源倍压电路的输出电压都大于传统的无源倍压电路。

6.3。PCE依赖于负载

有源电压倍增的PCE取决于输出负载条件（不同的输出负载）及其模拟证明在图9。The input amplitude is 0.8 V. The proposed active doubler achieves maximum PCE of 61.7% at k它提取了39。36的幂μW.这意味着输入功率约为64μW(−11.94 dBm)。由于最大功率转移现象，PCE随负载电阻的增大而减小。当整流器输入阻抗与输出阻抗相等时，最大功率转移到负载上，从而使整流器在该点具有高效率。当输入输出阻抗发生变化时，PCE也会发生变化。采用二极管连接MOS晶体管的传统有源倍频器的PCE(图)3)在20k时为30%它提取10.4 μW的权力。显然，在所有负载下，自偏置有源倍频器始终优于传统无源倍频器。

所提出的设计与[它的同行相比3，7，14从表中可以看出1。Other solutions give high efficiency around 90% but these designs are built for higher input voltages around 3 V and provide lower DC outputs than the input signal amplitudes. The proposed self-biased doubler gives 61.7% power efficiency but at small input voltage of 0.8 V and with enhanced rectified output voltage of 0.98 V. So, the proposed self-biased doubler can be used for low power applications that require low inputs.

7.结论

所提出的自偏置有源电压倍增适合于低功率能量采集系统的应用程序。The active doubler starts to operate 0.5 V input and achieves larger PCE at high inputs. The proposed rectifier achieves power conversion efficiency (PCE) of 61.7% under the condition of 200 Hz operating frequency, 0.8 V input signal for 20 k负载电阻器。当与无源倍压相比，PCE为2倍以上。该自偏置有源电压倍增电路将在生物医学装置和无线传感器节点用于直接供电一起使用或可再充电电池进行充电。这项工作可以被扩展到多级整流电路设计，可以提供较大的DC输出电压，以功率的远程设备，同时维持可接受的PCE。

利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在任何利益冲突。

致谢

作者想感谢KAUST-KFUPM Initiative (KKI)项目的支持。osr视频测试- 2016 - 2880。

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