应用于自供电物联网节点的超低功耗片上电源管理关键技术研究与实现

【摘要】：近年来无线物联网设备特别是无线传感器网络节点、无线医疗电子设备和可穿戴设备的快速发展推动了电源管理系统向超低功耗、高效率和高集成度方向发展。电池和(或)新能源供电的自供电物联网设备需要超低功耗设计使设备供电系统具有超过10年以上的寿命,这就需要超低功耗电源管理技术。无线物联网设备的电源管理系统要求高效率和高集成度,电源管理单元(PMU)将传统的多路多类型电源管理器件整合到一个芯片中,有助于降低系统功耗,减少片外元器件、板级空间和成本。以优化自供电物联网节点的电源管理系统为出发点,本文就超低功耗电源管理的关键技术、系统设计和电路设计展开研究。自供电物联网节点系统的平均静态功耗通常在几微瓦,因此电源管理系统的自身静态电流应小于微安级。论文在研究CMOS亚阈值设计技术的基础上,阐述了纳安级通用模拟电路的原理和实现方法,包括本征NMOS构成的超低功耗电流源、亚阈值区CMOS构成的超低功耗电流基准、超低功耗带隙基准、亚阈值区CMOS电压基准和采用采样保持技术的电压基准。针对纳安级电路易受噪声影响的特点,研究了纳安级电路的新型隔离保护环、版图设计和封装设计等技术。论文提出“悬浮隔离”的保护环设计大幅降低开关电源的功率级开关过程中产生的少子注入对超低功耗电路的干扰,使得超低功耗电路模块与开关电源功率级电路单片集成。为了使电源系统在微安等级负载和毫安等级负载同时拥有较高转换效率,本文提出一种自适应偏置电流脉冲频率调制模式(PFM,Pulse frequency modulation)的超低功耗降压转换器结构。系统根据当前工作状态动态开启和关闭除“常开”超低功耗模块以外的电路,只在突发工作状态下动态开启工作电流较大的模块。创新结构的PFM 比较器通过检测PFM频率判断输出负载状态,动态自适应调整PFM比较器的偏置电流。采样保持结构的电压基准使用20 nA偏置电流得到误差小于1.5%的电压基准。论文采用0.35 μm标准CMOS混合信号工艺,设计并实现了一款静态电流为95 nA的降压转换器,最终通过流片和测试,验证了新型架构和纳安级电路的性能。在输入3.6 V,输出2.5 V时,2μA的负载下的转换效率为79.8%,与近年同类研究文献相比,具有更好的性能。超长待机和3G/4G高速数据传输自供电物联网节点需要更高的电源电压和集成度,宽电压输入系统给超低功耗电源系统设计带来了挑战。论文研究多节电池串联的自供电物联网系统,针对性提出一款超低功耗PMU系统芯片。PMU集成多路电压转换器,通过复用超低功耗辅助电路,大幅度降低了电源系统的整体功耗。芯片集成了一路自适应偏置电流PFM控制模式的超低功耗降压转换器提高系统在微安级别负载时的转换效率,同时集成一路脉宽调制模式(PWM)的大负载降压转换器提高系统带载能力。论文提出无需片外电容和芯片引脚的全集成高压电平转换器和驱动电路结构,增加PMU的集成度的同时,避免功率级电路在开关过程中造成电源线上的“反射”电压,减少了功率级电路对超低功耗电路的干扰。采用基于标准CMOS工艺的混合信号BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)高压半导体工艺,对宽电压输入全集成超低功耗PMU进行了设计、流片和测试。测试结果表明,该芯片各项指标满足设计要求,PMU的静态电流低至550nA,负载2 μA时,转换效率超过50%。超低功耗降压转换器输出电流达到50mA,转换效率为87%。大负载降压转换器输出最大电流达到了 500 mA,转换效率为90%。该芯片将高电压输入电源管理系统的工作电流从微安等级降低到纳安等级,大幅度提高了设备的使用寿命。