片上集成太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于太陽(yáng)能【技術(shù)領(lǐng)域】，為提高片上供電系統(tǒng)的整體效率，為射頻識(shí)別、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等微功耗系統(tǒng)提供持久、穩(wěn)定的能源供給，為此，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，片上集成太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)，包括：一組太陽(yáng)能電池單元，并采用金屬互連工藝實(shí)現(xiàn)并行連接；一個(gè)能量收集模塊，該模塊包括環(huán)形振蕩器、多級(jí)串聯(lián)的電荷泵和一個(gè)儲(chǔ)能電容；一個(gè)控制電路；一個(gè)線性穩(wěn)壓器，包括啟動(dòng)電路、帶隙基準(zhǔn)和運(yùn)算放大器，其作用是為負(fù)載電路提供穩(wěn)定的工作電壓VDD。本實(shí)用新型主要應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)制造。
【專利說(shuō)明】片上集成太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于太陽(yáng)能【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的片上太陽(yáng)能電池，以及集成片上太陽(yáng)能電池的電源管理系統(tǒng)，具體講，涉及片上集成太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球生態(tài)環(huán)境不斷惡化，傳統(tǒng)石化能源的日益短缺，迫切需要一種清潔、無(wú)污染且供給豐富的新能源來(lái)推動(dòng)人類文明和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，這已成為世界各國(guó)持續(xù)關(guān)注和不斷探索的科學(xué)問(wèn)題之一。
[0003]目前，學(xué)術(shù)界已報(bào)道了采用機(jī)械振動(dòng)、溫度梯度及太陽(yáng)能等多種能量獲取方式。與其他能量獲取方式相比，以光作為能量來(lái)源的太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)成熟，無(wú)需交流-直流轉(zhuǎn)換，是一種取之不盡、用之不竭的綠色環(huán)保能源。當(dāng)前，太陽(yáng)能電池已占據(jù)了新型綠色能源市場(chǎng)的絕大多數(shù)份額。
[0004]得益于CMOS電路低功耗技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于射頻識(shí)別標(biāo)簽和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等周期性工作的微系統(tǒng)而言，芯片的總體功耗可控制在?百微瓦附近。因此，對(duì)于這樣的微功耗系統(tǒng)而言，利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的自動(dòng)獲取成為可能。雖然采用常規(guī)的分立太陽(yáng)能電池單元和電源管理電路可實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)能源的自供給，但常規(guī)太陽(yáng)能電池的制造工藝決定其無(wú)法與CMOS電路系統(tǒng)單片集成，因而整體系統(tǒng)的體積大、成本高，難以適應(yīng)微型化的發(fā)展需求。
[0005]若采用與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的微型太陽(yáng)能電池與電源管理電路和微功耗系統(tǒng)單片集成，即可實(shí)現(xiàn)片上供電，降低系統(tǒng)體積和成本，又使系統(tǒng)的集成度和功能不斷提高。然而，受硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的限制，片上太陽(yáng)能電池的襯底寄生二極管的反向泄漏損耗顯著，目前還難以找出有效的隔離方法消除襯底影響。因此，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的微型太陽(yáng)能電池多采用單元并聯(lián)方式提高輸出功率，因而開(kāi)路輸出電壓較低(通常在0.5V附近)。此外，太陽(yáng)能電池的輸出特性具有非線性，其輸出功率受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度及負(fù)載情況的影響，因而采用太陽(yáng)能電池難以直接驅(qū)動(dòng)后繼負(fù)載電路的工作，需要在其后增加電源管理電路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高片上供電系統(tǒng)的整體效率，為射頻識(shí)別、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等微功耗系統(tǒng)提供持久、穩(wěn)定的能源供給，為此，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，片上集成太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)，包括:
[0007]一組太陽(yáng)能電池單元，該太陽(yáng)能電池單元由標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備，并采用金屬互連工藝實(shí)現(xiàn)并行連接；
[0008]一個(gè)能量收集模塊，該模塊包括環(huán)形振蕩器、多級(jí)串聯(lián)的電荷泵和一個(gè)儲(chǔ)能電容，其作用是將片上太陽(yáng)能電池的輸出電壓升高，并將能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容Cs中；
[0009]一個(gè)控制電路，其作用是監(jiān)控儲(chǔ)能電容兩端的電壓Vs，在儲(chǔ)能電壓Vs被提升到門限電壓Vh之前，控制電路的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，儲(chǔ)能電容Cs中斷向后繼電路提供能量，當(dāng)儲(chǔ)能電壓Vs達(dá)到門限電壓Vh時(shí)，控制電路的開(kāi)關(guān)閉合，儲(chǔ)能電容Cs通過(guò)線性穩(wěn)壓器給負(fù)載電路提供穩(wěn)定的工作電壓Vdd ;當(dāng)儲(chǔ)能電容Cs的能量泄放完畢后，控制電路的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，儲(chǔ)能電容Cs重新開(kāi)始充電，重復(fù)上述過(guò)程；
[0010]一個(gè)線性穩(wěn)壓器，包括啟動(dòng)電路、帶隙基準(zhǔn)和運(yùn)算放大器，其作用是為負(fù)載電路提供穩(wěn)定的工作電壓Vdd。
[0011]根據(jù)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)微系統(tǒng)的功耗和工作周期，儲(chǔ)能電容Cs可用片上集成的MOS電容、PN結(jié)電容或MM電容實(shí)現(xiàn)，也可選用片外的傳統(tǒng)電容器。
[0012]根據(jù)負(fù)載電路工作電壓Vdd的大小，調(diào)節(jié)電荷泵的級(jí)數(shù)，以滿足負(fù)載電壓對(duì)儲(chǔ)能電容最大電壓值的要求，通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中負(fù)載電阻的比例，使輸出電壓穩(wěn)定在VDD。
[0013]控制電路包含一個(gè)電壓感應(yīng)模塊和一個(gè)開(kāi)關(guān)管M2tl, Vs是儲(chǔ)能電容Cs上的電壓，以二極管形式串連的NMOS管Mnl~Mnn等效為一個(gè)大電阻，與電容C1串聯(lián)，晶體管M21和M22構(gòu)成由輸出電壓Vout控制C1放電的回路；M0S管M23和M24以及MOS管M25和M26分別構(gòu)成兩個(gè)反相器，MOS管M27, M28, M29和電阻R(!構(gòu)成一個(gè)非平衡反相器,其輸出低電位時(shí)開(kāi)關(guān)管Mm導(dǎo)通，輸出高電位時(shí)開(kāi)關(guān)管M2tl截止；
[0014]開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程如下:電荷泵給儲(chǔ)能電容Cs充電過(guò)程時(shí)，Vs上升，電容C1兩端電壓Va隨之升高，電容C1的串聯(lián)電阻使C1的充電電流很小，所以Va上升速度遠(yuǎn)小于Vs，在儲(chǔ)能電容Cs上電壓上升到門限電SVh前，Va相當(dāng)于低電位，不足以打開(kāi)晶體管M22, Vci經(jīng)過(guò)兩級(jí)反相控制非平衡反相器輸出高電位，開(kāi)關(guān)管M2tl截止，晶體管M21管截止，電容Cl不放電，Va跟隨Vs持續(xù)上升；
[0015]當(dāng)儲(chǔ)能電容Cs上的電壓達(dá)到門限電壓Vh時(shí)，Vci升至高電位，晶體管M22管導(dǎo)通，三級(jí)反相后，非平衡反相器輸出為零，開(kāi)關(guān)管M2tl打開(kāi)，儲(chǔ)能電容Cs向后續(xù)電路泄放能量，此時(shí)輸出電壓Vout為負(fù)載工作電壓VDD，晶體管M21截止，C1仍然不放電，Vs繼續(xù)給C1充電，使開(kāi)關(guān)管M20保持一段時(shí)間導(dǎo)通，在此期間，儲(chǔ)能電容Cs放掉電荷使Vs將低，線性穩(wěn)壓器進(jìn)入截至區(qū)，輸出電壓Vout近似為零，此時(shí)晶體管M21導(dǎo)通，C1通過(guò)晶體管M21和M22快速放電，使Vci降為低電位，開(kāi)關(guān)管M20關(guān)斷，儲(chǔ)能電容Cs上的電壓Vs再次上升，Va跟隨Vs上升，控制電路進(jìn)入下一工作周期。
[0016]本實(shí)用新型的技術(shù)特點(diǎn)及效果:
[0017]1、利用硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了片上集成的微型太陽(yáng)能電池單元及電源管理電路，使得太陽(yáng)能供電系統(tǒng)一體化、微型化；
[0018]2、對(duì)電源管理電路的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行優(yōu)化，采用低功耗設(shè)計(jì)方法，降低了系統(tǒng)的總體功耗；
[0019]3、提出一種新型的控制電路模塊，避免了傳統(tǒng)控制電路模塊中高能耗的遲滯比較器，簡(jiǎn)化了控制電路模塊的整體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定時(shí)的靜態(tài)功耗基本為零；
[0020]4、本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)與硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，可實(shí)現(xiàn)同一芯片上太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)與射頻識(shí)別、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等微功耗系統(tǒng)的單片集成，從而降低成本和體積，豐富功能，提升系統(tǒng)的整體性能。
[0021]綜上所訴，本實(shí)用新型提出的片上太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的片上太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0023]圖2本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池單元的剖面結(jié)構(gòu)圖和頂視圖。
[0024]圖3本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的片上太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)的電路原理圖，其中
[0025](a)能量收集模塊的電路圖
[0026](b)控制電路模塊的電路圖
[0027](c)線性穩(wěn)壓器的電路圖
[0028]圖4本實(shí)用新型所示片上集成太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)的仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為了克服常規(guī)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)體積大、成本高、可靠性差等不利因素，實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)另IJ、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等周期性工作的微功耗系統(tǒng)能量的自動(dòng)獲取，本實(shí)用新型提出一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的片上集成太陽(yáng)能電池，以及集成該太陽(yáng)能電池的電源管理電路。本實(shí)用新型提高了片上供電系統(tǒng)的整體效率，為射頻識(shí)別、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等微功耗系統(tǒng)提供持久、穩(wěn)定的能源供給。
[0030]1、本實(shí)用新型提出的片上集成太陽(yáng)能電池充分利用硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)N阱/p襯底、N+有源區(qū)\p襯底、P+有源區(qū)/N阱及P+有源區(qū)/深N阱等多種結(jié)構(gòu)的PN結(jié)型太陽(yáng)能電池單元，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CMOS的金屬互連工藝實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池單元的并聯(lián)，增大輸出功率。
[0031]2、本實(shí)用新型提出的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的片上集成太陽(yáng)能供電系統(tǒng)包括:
[0032]一組太陽(yáng)能電池單元，該太陽(yáng)能電池單元由標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備，并采用金屬互連工藝實(shí)現(xiàn)并行連接，增大輸出功率，其作用是將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電能，為后繼電路提供能量來(lái)源；
[0033]一個(gè)能量收集模塊，該模塊包括環(huán)形振蕩器、多級(jí)串聯(lián)的電荷泵和一個(gè)儲(chǔ)能電容，其作用是將片上太陽(yáng)能電池的輸出電壓升高，并將能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容Cs中；
[0034]一個(gè)控制電路，其作用是監(jiān)控儲(chǔ)能電容兩端的電壓Vs，在儲(chǔ)能電壓Vs被提升到門限電壓Vh之前，控制電路的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，儲(chǔ)能電容Cs中斷向后繼電路提供能量，當(dāng)儲(chǔ)能電壓Vs達(dá)到門限電壓Vh時(shí)，控制電路的開(kāi)關(guān)閉合，儲(chǔ)能電容Cs通過(guò)線性穩(wěn)壓器給負(fù)載電路提供穩(wěn)定的工作電壓VDD。當(dāng)儲(chǔ)能電容Cs的能量泄放完畢后，控制電路的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，儲(chǔ)能電容(；重新開(kāi)始充電，重復(fù)上述過(guò)程；
[0035]一個(gè)線性穩(wěn)壓器，包括啟動(dòng)電路、帶隙基準(zhǔn)和運(yùn)算放大器，其作用是為負(fù)載電路提供穩(wěn)定的工作電壓Vdd。
[0036]3、根據(jù)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)微系統(tǒng)的功耗和工作周期，儲(chǔ)能電容Cs可用片上集成的MOS電容、PN結(jié)電容或MM電容實(shí)現(xiàn)，也可選用片外的傳統(tǒng)電容器。
[0037]4、根據(jù)負(fù)載電路工作電壓Vdd的大小，可以調(diào)節(jié)電荷泵的級(jí)數(shù)，以滿足負(fù)載電壓對(duì)儲(chǔ)能電容最大電壓值的要求，通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中負(fù)載電阻的比例，使輸出電壓穩(wěn)定在負(fù)載工作電壓Vdd。
[0038]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳述。
[0039]本實(shí)用新型提供了一種基于硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的片上太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)。所述太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)利用硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了片上集成的微型太陽(yáng)能電池；利用CMOS電路低功耗、高集成度的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款能耗低、輸出穩(wěn)定性高的電源管理電路。本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的片上太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該太陽(yáng)能供電系統(tǒng)包括一組并聯(lián)的太陽(yáng)能電池單元、一個(gè)能量收集模塊、一個(gè)控制電路和一個(gè)線性穩(wěn)壓器。
[0040]作為優(yōu)選實(shí)例，本實(shí)用新型中的太陽(yáng)能電池單元由PMOS器件的P+有源區(qū)和N阱實(shí)現(xiàn)，器件的剖面結(jié)構(gòu)圖和頂視圖如圖2所示。其中，I為P型襯底；2為氧化物填充的淺溝槽隔離區(qū)；3為中等摻雜的N阱；4為重?fù)诫s的P+有源區(qū)；5為重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)；6為太陽(yáng)能電池單元的陽(yáng)極電極；7為太陽(yáng)能電池單元的陰極電極。由于本實(shí)用新型提出的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)與硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，所以可在制備PMOS和NMOS晶體管的過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)片上太陽(yáng)能電池單元，無(wú)需額外增加工藝步驟。
[0041]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖2對(duì)太陽(yáng)能電池的具體實(shí)現(xiàn)工藝進(jìn)行描述:在優(yōu)選實(shí)施例中，首先利用氧化、淀積、光刻及刻蝕等標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底I定義出淺溝槽隔離區(qū)，然后利用高密度等離子體化學(xué)氣相淀積工藝淀積氧化物，填充隔離槽，最后采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝實(shí)施全局整平，制備出淺溝槽隔離區(qū)2。接著利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中PMOS晶體管的N阱注入形成N阱3，所述N阱作為PN結(jié)型太陽(yáng)能電池的N型基底；利用PMOS晶體管的源漏注入形成大面積的P+有源區(qū)4 ;利用NMOS晶體管的源漏注入形成PN結(jié)型太陽(yáng)能電池的N阱接觸區(qū)5 ;利用金屬化工藝制備出太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極電極6和陰極電極7 ;最后利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的互連金屬實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池單元的并聯(lián)。
[0042]圖3 (a)給出了能量收集模塊的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。該模塊包括一個(gè)環(huán)形振蕩器、一組級(jí)聯(lián)的電荷泵和一個(gè)儲(chǔ)能電容Cs。當(dāng)太陽(yáng)能電池給儲(chǔ)能電容Cs充電時(shí),儲(chǔ)能電容Cs中斷為后續(xù)負(fù)載提供電流。振蕩器和電荷泵的輸入由太陽(yáng)能電池的輸出電壓直接供給。為了使振蕩器和電荷泵正常工作，太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)應(yīng)盡量接近開(kāi)路電壓Vre (約為0.5V)，使其等效為一個(gè)輸出電壓為開(kāi)路電壓\c的電壓源。
[0043]圖3(a)給出了能量收集模塊的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。該模塊包括一個(gè)振蕩器、一組級(jí)聯(lián)的電荷泵和一個(gè)儲(chǔ)能電容Cs。其中，振蕩器和電荷泵的輸入由太陽(yáng)能電池的輸出電壓Vsolar直接供給。為了使振蕩器和電荷泵正常工作，太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)應(yīng)盡量接近開(kāi)路電壓U約為0.5V)，使其等效為一個(gè)輸出電壓為開(kāi)路電壓Vre的電壓源。當(dāng)太陽(yáng)能電池通過(guò)電荷泵向儲(chǔ)能電容Cs充電時(shí)，儲(chǔ)能電容Cs中斷為后續(xù)負(fù)載提供電流。在優(yōu)選實(shí)施例中，為使電荷泵轉(zhuǎn)換效率和儲(chǔ)能電容充電時(shí)間之間達(dá)到最好的折中，振蕩器采用三級(jí)環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，輸出脈沖頻率設(shè)置為1.67MHz,電荷泵則根據(jù)輸出電壓Vs的高低采用多級(jí)Dickson電荷泵。
[0044]圖3(b)給出了控制電路的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。儲(chǔ)能電容Cs的儲(chǔ)能和供能周期由控制電路決定的。為了實(shí)現(xiàn)所述功能，同時(shí)達(dá)到最低功率損耗，提出了一種全新的控制電路模塊，該控制模塊不包含遲滯比較器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靜態(tài)功耗基本為零。
[0045]控制電路包含一個(gè)電壓感應(yīng)模塊和一個(gè)PMOS開(kāi)關(guān)管M2tl。Vs是儲(chǔ)能電容Cs上的電壓。以二極管形式串連的NMOS管Mnl?Mnn等效為一個(gè)大電阻，與電容C1串聯(lián)。M21和M22構(gòu)成控制C1放電的回路；M23和M24,以及M25和M26分別構(gòu)成兩個(gè)反相器。M27,M28,M29和Rtl構(gòu)成一個(gè)非平衡反相器，其輸出低電位時(shí)開(kāi)關(guān)管M2tl導(dǎo)通,輸出高電位時(shí)開(kāi)關(guān)管M2tl截止。
[0046]開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程如下:電荷泵給儲(chǔ)能電容Cs充電過(guò)程時(shí)，Vs上升，C1兩端電壓Va隨之升高，C1的串聯(lián)電阻使C1的充電電流很小，所以Va上升速度遠(yuǎn)小于Vs，在儲(chǔ)能電容Cs上電壓上升到門限電SVh前，Va相當(dāng)于低電位，不足以打開(kāi)M22, Va經(jīng)過(guò)兩級(jí)反相控制非平衡反相器輸出高電位，開(kāi)關(guān)管M20截止。M21管截止，Cl不放電，Vci跟隨Vs持續(xù)上升。
[0047]當(dāng)儲(chǔ)能電容Cs上的電壓達(dá)到門限電壓Vh時(shí)，Va升至高電位，M22導(dǎo)通,三級(jí)反相后，非平衡反相器輸出為零，開(kāi)關(guān)管M2tl打開(kāi)，儲(chǔ)能電容Cs向后續(xù)電路泄放能量。此時(shí)輸出電壓Vout為負(fù)載工作電壓VDD，M21晶體管截止，C1仍然不放電，Vs繼續(xù)給C1充電，使開(kāi)關(guān)管M20保持一段時(shí)間導(dǎo)通。在此期間，儲(chǔ)能電容Cs放掉電荷使Vs將低，線性穩(wěn)壓器進(jìn)入截至區(qū)，輸出電壓Vout近似為零，此時(shí)M21管導(dǎo)通，C1通過(guò)M21和M22快速放電，使Va降為低電位，開(kāi)關(guān)管M20關(guān)斷。儲(chǔ)能電容Cs上的電壓Vs再次上升，Va跟隨Vs上升，控制電路進(jìn)入下一工作周期。
[0048]圖3(c)給出了線性穩(wěn)壓器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。電路包含一個(gè)帶隙基準(zhǔn)、反饋電阻和誤差放大器，負(fù)載等效為電阻&與電容CL的并聯(lián)。線性穩(wěn)壓器的輸入電壓為控制電路的輸出電壓Vin。輸入電壓Vin通過(guò)帶隙基準(zhǔn)為誤差放大器的反相輸入端提供一個(gè)參考電壓Vbg,反饋電阻Rfl與Rf2對(duì)輸出電壓Vwt采樣，采樣電壓加在誤差放大器的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓Vbg相比較，兩者的差值經(jīng)放大器放大后，調(diào)整功率管M3tl的柵極電壓，改變其導(dǎo)通電阻，從而使得輸出電壓穩(wěn)定。
[0049]對(duì)于超高頻 RFID無(wú)源標(biāo)簽，其工作電壓Vdd=L 8V，輸入電流30 μ A。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所述無(wú)源標(biāo)簽的供電，采用UMC0.18μπι標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝對(duì)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓Vre取為0.5V，選擇器件閾值電壓VTH〈Vre的MOS管設(shè)計(jì)電路。設(shè)置振蕩器功耗為2 μ W，電荷泵給儲(chǔ)能電容Cs的充電電流不超過(guò)I μ Α，此時(shí)太陽(yáng)能電池等效為一個(gè)輸出為開(kāi)路電壓Vre的恒壓源。儲(chǔ)能電容Cs選用片外鉭電容，電荷泵被設(shè)為8級(jí)，門限電壓Vh設(shè)為2.5V，這樣可保證儲(chǔ)能電容電壓Vs能夠被泵送到2.5V以上，穩(wěn)壓器的功耗設(shè)計(jì)為1.5口4，壓差6011^，儲(chǔ)能電容電壓從2.5V到1.86V的跌落過(guò)程中，可以保證穩(wěn)定輸出1.8V的工作電壓。圖4給出了所述太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真曲線。由圖可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)片上集成太陽(yáng)能供電系統(tǒng)可以滿足超高頻RFID無(wú)源標(biāo)簽的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種片上集成太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)，其特征是，包括: 一組太陽(yáng)能電池單元，該太陽(yáng)能電池單元由標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備，并采用金屬互連工藝實(shí)現(xiàn)并彳了連接； 一個(gè)能量收集模塊，該模塊包括環(huán)形振蕩器、多級(jí)串聯(lián)的電荷泵和一個(gè)儲(chǔ)能電容，其作用是將片上太陽(yáng)能電池的輸出電壓升高，并將能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容Cs中； 一個(gè)控制電路，控制電路包含一個(gè)電壓感應(yīng)模塊和一個(gè)開(kāi)關(guān)管M2tl, Vs是儲(chǔ)能電容Cs上的電壓，以二極管形式串連的NMOS管Mnl?Mnn等效為一個(gè)大電阻，與電容C1串聯(lián)，晶體管M21和M22構(gòu)成由輸出電壓Vout控制C1放電的回路；M0S管M23和M24以及MOS管M25和M26分別構(gòu)成兩個(gè)反相器，MOS管M27,M28,M29和電阻Rtl構(gòu)成一個(gè)非平衡反相器，其輸出低電位時(shí)開(kāi)關(guān)管M20導(dǎo)通,輸出高電位時(shí)開(kāi)關(guān)管M20截止； 一個(gè)線性穩(wěn)壓器，包括啟動(dòng)電路、帶隙基準(zhǔn)和運(yùn)算放大器，其作用是為負(fù)載電路提供穩(wěn)定的工作電壓VDD。
2.如權(quán)利要求1所述的片上集成太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)，其特征是，根據(jù)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)微系統(tǒng)的功耗和工作周期，儲(chǔ)能電容Cs可用片上集成的MOS電容、PN結(jié)電容或MM電容實(shí)現(xiàn)，或者選用片外的電容器。
【文檔編號(hào)】H02J7/35GK203859576SQ201420017207
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】謝生, 毛陸虹, 張世林, 韓聃, 侯賀剛 申請(qǐng)人:天津大學(xué)