單元電路論文范文

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第1篇

關(guān)鍵詞：三端離線PWM開(kāi)關(guān)；正激變換器；高頻變壓器設(shè)計(jì)

引言

TOPSwitch是美國(guó)功率集成公司（PI）于20世紀(jì)90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源芯片，是三端離線PWM開(kāi)關(guān)（ThreeterminalofflinePWMSwitch）的縮寫(xiě)。它將開(kāi)關(guān)電源中最重要的兩個(gè)部分——PWM控制集成電路和功率開(kāi)關(guān)管MOSFET集成在一塊芯片上，構(gòu)成PWM/MOSFET合二為一集成芯片，使外部電路簡(jiǎn)化，其工作頻率高達(dá)100kHz，交流輸入電壓85～265V，AC/DC轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90％。對(duì)200W以下的開(kāi)關(guān)電源，采用TOPSwitch作為主功率器件與其他電路相比，體積小、重量輕，自我保護(hù)功能齊全，從而降低了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，是一種簡(jiǎn)捷的SMPS（SwitchModePowerSupply）設(shè)計(jì)方案。

TOPSwitch系列可在降壓型，升壓型，正激式和反激式等變換電路中使用。但是，在現(xiàn)有的參考文獻(xiàn)以及PI公司提供的設(shè)計(jì)手冊(cè)中，所介紹的都是用TOPSwitch制作單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。反激式變換器一般有兩種工作方式：完全能量轉(zhuǎn)換（電感電流不連續(xù)）和不完全能量轉(zhuǎn)換（電感電流連續(xù)）。這兩種工作方式的小信號(hào)傳遞函數(shù)是截然不同的，動(dòng)態(tài)分析時(shí)要做不同的處理。實(shí)際上當(dāng)變換器輸入電壓在一個(gè)較大范圍發(fā)生變化，和（或者）負(fù)載電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，必然跨越兩種工作方式，因此，常要求反激式變換器在完全能量和不完全能量轉(zhuǎn)換方式下都能穩(wěn)定工作。但是，要求同一個(gè)電路能實(shí)現(xiàn)從一種工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N工作方式，在設(shè)計(jì)上是較為困難的。而且，作為單片開(kāi)關(guān)電源的核心部件高頻變壓器的設(shè)計(jì)，由于反激式變換器中的變壓器兼有儲(chǔ)能、限流、隔離的作用，在設(shè)計(jì)上要比正激式變換器中的高頻變壓器困難，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)很難掌握。筆者采用TOP225Y設(shè)計(jì)了一種單端正激式開(kāi)關(guān)電源電路，實(shí)驗(yàn)證明該電路是切實(shí)可行的。下面介紹其工作原理與設(shè)計(jì)方法，以供探討。

1TOPSwitch系列應(yīng)用于單端正激變換器中存在的問(wèn)題

TOPSwitch的交流輸入電壓范圍為85～265V，最大電壓應(yīng)力≤700V，這個(gè)耐壓值對(duì)于輸入最大直流電壓Vmax=265×1.4=371V是足夠的,但應(yīng)用在一般的單端正激變換器中卻存在問(wèn)題。

圖1是典型的單端正激變換器電路，設(shè)計(jì)時(shí)通常取NS=NP，Dmax<0.5（一般取0.4）,按正激變換器工作過(guò)程,TOPSwitch關(guān)斷期間，變壓器初級(jí)的勵(lì)磁能量通過(guò)NS，D1，E續(xù)流（泄放）。此時(shí)，TOPSwitch承受的最大電壓為

VDSmax≥2E=2Vmax=742V（1）

大于TOPSwitch所能承受的最大電壓應(yīng)力700V，所以，TOPSwitch不能在一般通用的正激變換器中使用。

2TOPSwitch在單端正激變換器中的應(yīng)用

由式（1）可知，TOPSwitch不能在典型單端正激變換器中應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，是其在關(guān)斷期間所承受的電壓應(yīng)力超過(guò)了允許值，如果能降低關(guān)斷期間的電壓應(yīng)力，使它小于700V，則TOPSwitch仍可在單端正激變換器中應(yīng)用。

2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理

本文提出的TOPSwitch的單端正激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。它與典型的單端正激變換器電路結(jié)構(gòu)完全相同,只是變壓器的去磁繞組的匝數(shù)為初級(jí)繞組匝數(shù)的2倍,即NS=2NP。

TOPSwitch關(guān)斷時(shí)的等效電路如圖2所示。

若NS與NP是緊耦合，則，即

VNP=1/2VNS=1/2E（2）

VDSmax=VNP＋E=E=1.5×371

=556.5V<700V（3）

2.2最大工作占空比分析

按NP繞組每個(gè)開(kāi)關(guān)周期正負(fù)V·s平衡原理，有

VNPon(Dmax/T)=VNPoff[(1-Dmax)/T]（4）

式中：VNPon為T(mén)OPSwitch開(kāi)通時(shí)變壓器初級(jí)電壓，VNPon=E；

VNPoff為T(mén)OPSwitch關(guān)斷時(shí)變壓器初級(jí)電壓，VNPoff=（1/2）E。

解式（4）得

Dmax=1/3（5）

為保險(xiǎn)，取Dmax≤30％

2.3去磁繞組電流分析

改變了去磁繞組與初級(jí)繞組的匝比后，變壓器初級(jí)繞組仍應(yīng)該滿(mǎn)足A·s平衡，初級(jí)繞組最大勵(lì)磁電流為

im(t)|t=DmaxT=Ism=DmaxT=(E/Lm)DmaxT（6）

式中：Lm為初級(jí)繞組勵(lì)磁電感。

當(dāng)im(t)=Ism時(shí)，B=Bmax，H=Hmax，則去磁電流最大值為

Ism==(Hmaxlc/Ns)=1/2Ipm(7)

式中：lc為磁路長(zhǎng)度；

Ipm為初級(jí)電流的峰值。

根據(jù)圖2（b）去磁電流的波形可以得到去磁電流的平均值和去磁電流的有效值Is分別為

下面討論當(dāng)NP=NS，Dmax=0.5與NP=NS，Dmax=0.3時(shí)的去磁電流的平均值和有效值。設(shè)上述兩種情況下的Hmax或Bmax相等，即兩種情況下勵(lì)磁繞組的安匝數(shù)相等，則有

Im1NP1=Im2NP2（10）

式中：NP1為Dmax=0.5時(shí)的勵(lì)磁繞組匝數(shù)；

NP2為Dmax=0.3時(shí)的勵(lì)磁繞組匝數(shù)；

設(shè)Lm1及Lm2分別為Dmax=0.5和Dmax=0.3時(shí)的初級(jí)繞組勵(lì)磁電感，則有

Im1=E/Lm1×0.5T為Dmax=0.5時(shí)的初級(jí)勵(lì)磁電流；

Im2=E/Lm2×0.3T為Dmax=0.3時(shí)的初級(jí)勵(lì)磁電流。

由式（10）及Lm1，Lm2分別與NP12，NP22成正比，可得兩種情況下的勵(lì)磁繞組匝數(shù)之比為

(NP1)/(NP2)=0.5/0.3

及(Im1)/(Im2)=(Np2)/(Np1)=0.3/0.5(12)

當(dāng)NS1=NP1時(shí)和NS2=2NP2時(shí)去磁電流最大值分別為

Ism1=Im1=Im（13）

Ism2=Im2=(0.5/0.6)Im（14）

將式（10）～（14）有關(guān)參數(shù)代入式（8）～（9）可得到，當(dāng)Dmax=0.5時(shí)和Dmax=0.3時(shí)的去磁電流平均值及與有效值Is1及Is2分別為

Is1=1/4ImImIs1=0.408Im（Dmax=0.5）

Is2≈0.29ImIs2=0.483Im（Dmax=0.3）

從計(jì)算結(jié)果可知，采用NS=2NP設(shè)計(jì)的去磁繞組的電流平均值或有效值要大于NS=NP設(shè)計(jì)的去磁繞組的電流值。因此，在選擇去磁繞組的線徑時(shí)要注意。

3高頻變壓器設(shè)計(jì)

由于電路元件少,該電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是高頻變壓器,下面給出其設(shè)計(jì)方法。

3.1磁芯的選擇

按照輸出Vo=15V，Io=1.5A的要求，以及高頻變壓器考慮6％的余量，則輸出功率Po=1.06×15×1.5=23.85W。根據(jù)輸出功率選擇磁芯，實(shí)際選取能輸出25W功率的磁芯，根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)選用EI25，查表可得該磁芯的有效截面積Ae=0.42cm2。

3.2工作磁感應(yīng)強(qiáng)度ΔB的選擇

ΔB=0.5BS，BS為磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，由于鐵氧體的BS為0.2～0.3T，取ΔB=0.15T。

3.3初級(jí)繞組匝數(shù)NP的選取

選開(kāi)關(guān)頻率f=100kHz（T=10μs），按交流輸入電壓為最低值85V，Emin≈1.4×85V，Dmax=0.3計(jì)算則

取NP=53匝。

3.4去磁繞組匝數(shù)NS的選取

取NS=2NP=106匝。

3.5次級(jí)匝數(shù)NT的選取

輸出電壓要考慮整流二極管及繞組的壓降，設(shè)輸出電流為2A時(shí)的線路壓降為7％，則空載輸出電壓VO0≈16V。

取NT=24匝。

3.6偏置繞組匝數(shù)NB的選取

取偏置電壓為9V，根據(jù)變壓器次級(jí)伏匝數(shù)相等的原則，由16/24=9/NB，得NB=13.5,取NB=14匝。

3.7TOPSwitch電流額定值ICN的選取

平均輸入功率Pi==28.12W（假定η=0.8），在Dmax時(shí)的輸入功率應(yīng)為平均輸入功率，因此Pi=DmaxEminIC=0.3×85×1.4×IC=28.12，則IC=0.85A，為了可靠并考慮調(diào)整電感量時(shí)電流不可避免的失控，實(shí)際選擇的TOPSwitch電流額定值至少是兩倍于此值，即ICN>1.7A。所以，我們選擇ILIMIT=2A的TOP225Y。

4實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及主要波形

輸入AC220V，頻率50Hz，輸出DCVo=15(1±1％)V，IO=1.5A，工作頻率100kHz，圖3及圖4是實(shí)驗(yàn)中的主要波形。

圖3中的1是開(kāi)關(guān)管漏源電壓VDS波形，2是輸入直流電壓E波形，由圖可知VDS=1.5E；圖4中的1是開(kāi)關(guān)管漏源電壓VDS波形，2是去磁繞組電流is波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析是完全吻合的。

第2篇

在新技術(shù)、新設(shè)備不斷更新的今天，供電企業(yè)對(duì)安全的要求越來(lái)越高，不同層次、不同崗位的員工，隨時(shí)面臨著巨大的壓力，安全教育培訓(xùn)是滿(mǎn)足員工渴望在一個(gè)安全、舒適的環(huán)境中工作的自身需求，維護(hù)員工權(quán)益的基礎(chǔ)保障。對(duì)于個(gè)人來(lái)說(shuō)，員工應(yīng)通過(guò)企業(yè)提供的各種安全教育培訓(xùn)，將接受和參與安全教育培訓(xùn)作為企業(yè)最大的福利，進(jìn)行安全知識(shí)和安全防護(hù)技能的補(bǔ)充、更新、拓寬，提高安全素質(zhì)，增強(qiáng)新形勢(shì)下對(duì)企業(yè)安全需求的適應(yīng)能力，維護(hù)自己最大的權(quán)益。

當(dāng)前供電企業(yè)安全教育培訓(xùn)工作中存在的問(wèn)題

1.對(duì)安全教育培訓(xùn)重要性認(rèn)識(shí)不足。部分基層單位、班組負(fù)責(zé)人，對(duì)安全教育培訓(xùn)工作重要性和緊迫性的認(rèn)識(shí)存在盲區(qū)，導(dǎo)致員工崗位安全教育培訓(xùn)工作沒(méi)有被納入單位、班組日常工作計(jì)劃的現(xiàn)象出現(xiàn)，受經(jīng)濟(jì)效益、工作進(jìn)度等客觀因素的影響，顯現(xiàn)出員工崗位安全教育培訓(xùn)缺乏的現(xiàn)象。

2.安全教育培訓(xùn)制度尚不健全。隨著供電企業(yè)快速發(fā)展和企業(yè)員工對(duì)安全教育培訓(xùn)滿(mǎn)意度的變化，現(xiàn)有安全培訓(xùn)制度顯現(xiàn)出安全教育培訓(xùn)管理制度或標(biāo)準(zhǔn)的缺失，可操作性欠缺，安全教育培訓(xùn)職能交叉加重了基層的負(fù)擔(dān)等方面的問(wèn)題。

3.安全教育培訓(xùn)覆蓋面不足。基層單位、班組受培訓(xùn)能力限制，導(dǎo)致員工安全教育培訓(xùn)有名無(wú)實(shí)，流于形式，造成基層員工安全教育培訓(xùn)嚴(yán)重缺失，在不斷積累之后造成員工整體安全素質(zhì)和安全意識(shí)偏低。

4.安全教育培訓(xùn)針對(duì)性不強(qiáng)。當(dāng)前，安全培訓(xùn)多以理論講解為主，由于與現(xiàn)場(chǎng)安全工作實(shí)際出現(xiàn)脫節(jié)，開(kāi)展安全教育培訓(xùn)工作之前沒(méi)有開(kāi)展前期調(diào)研，廣泛征求員工對(duì)安全教育培訓(xùn)的需求，導(dǎo)致安全教育培訓(xùn)沒(méi)有真正按照不同專(zhuān)業(yè)、不同層次員工的工作特點(diǎn)把握安全教育培訓(xùn)需求，有針對(duì)性的擬定安全教育培訓(xùn)計(jì)劃和實(shí)施方案，使基層單位、班組的安全教育培訓(xùn)顯現(xiàn)出走過(guò)場(chǎng)，為了培訓(xùn)而培訓(xùn)，缺乏針對(duì)性等方面的問(wèn)題。

5.安全教育培訓(xùn)評(píng)價(jià)管理機(jī)制還不夠完善。目前，供電企業(yè)員工安全培訓(xùn)體系建設(shè)逐步趨于完善，但培訓(xùn)評(píng)價(jià)管理體系相對(duì)滯后，導(dǎo)致基層單位、班組安全培訓(xùn)開(kāi)展情況的監(jiān)督、檢查和培訓(xùn)質(zhì)效的考核、認(rèn)證欠缺規(guī)范。

6.安全教育培訓(xùn)師資較薄弱。一是基層單位、專(zhuān)業(yè)班組培訓(xùn)員由于長(zhǎng)期從事繁忙的現(xiàn)場(chǎng)工作、接觸的專(zhuān)業(yè)前沿信息較少、時(shí)間和精力有限等原因，導(dǎo)致教育理念更新不及時(shí)，教育理論知識(shí)相對(duì)欠缺；二是由于基層單位、專(zhuān)業(yè)班組培訓(xùn)員在承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)教學(xué)任務(wù)的同時(shí)還要面對(duì)和處理復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工作，導(dǎo)致培訓(xùn)人員投入到培訓(xùn)教學(xué)上的時(shí)間、精力很難保證；三是一些基層單位將培訓(xùn)人員承擔(dān)的培訓(xùn)任務(wù)劃為義務(wù)勞動(dòng)，缺乏有效的激勵(lì)機(jī)制，導(dǎo)致培訓(xùn)人員在開(kāi)展安全教育培訓(xùn)教學(xué)工作中的積極性受挫，培訓(xùn)效能感下降，從而影響了安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。

做好企業(yè)安全教育培訓(xùn)工作的對(duì)策研究

1.企業(yè)要健全和完善安全教育培訓(xùn)體系的基礎(chǔ)建設(shè)。企業(yè)在完善三級(jí)安全教育培訓(xùn)體系的同時(shí)，一是在硬件設(shè)施的投入和配備等方面要安排專(zhuān)用資金，落實(shí)具體部門(mén)，建設(shè)并完善企業(yè)員工安全教育培訓(xùn)基地，配置必要的培訓(xùn)設(shè)備和設(shè)施，深入基層開(kāi)展培訓(xùn)課題調(diào)研，根據(jù)企業(yè)安全生產(chǎn)管理要求，制定安全教育培訓(xùn)計(jì)劃；二是加強(qiáng)企業(yè)安全教育培訓(xùn)師資隊(duì)伍的建設(shè)，通過(guò)基層選拔、自主培養(yǎng)，專(zhuān)業(yè)人員引進(jìn)等多種方式，做好安全教育培訓(xùn)師資資源的儲(chǔ)備，建立能滿(mǎn)足企業(yè)安全教育培訓(xùn)要求的師資隊(duì)伍，保證安全教育培訓(xùn)工作的質(zhì)效，使安全教育培訓(xùn)計(jì)劃能夠得到有效落實(shí)。

2.企業(yè)要將安全教育培訓(xùn)與企業(yè)安全目標(biāo)愿景進(jìn)行有效結(jié)合。安全教育培訓(xùn)具有形式和載體多元化的特征，但無(wú)論是通過(guò)企業(yè)安全文化建設(shè)，還是通過(guò)安全知識(shí)和技能培訓(xùn)、競(jìng)賽、演講、論壇、專(zhuān)題講座等形式開(kāi)展安全教育培訓(xùn)，始終都要同企業(yè)安全發(fā)展的安全目標(biāo)愿景相結(jié)合。一是企業(yè)要將安全教育培訓(xùn)與員工個(gè)人的崗位追求、價(jià)值追求相結(jié)合。從關(guān)心員工各方面利益的角度出發(fā)，通過(guò)安全教育培訓(xùn)使員工樹(shù)立正確的安全價(jià)值觀，能夠發(fā)自?xún)?nèi)心的真正認(rèn)識(shí)到只有保證了安全，才能得到個(gè)人利益，實(shí)現(xiàn)個(gè)人追求，真正實(shí)現(xiàn)“要我安全”到“我要安全”的轉(zhuǎn)變，主動(dòng)接受安全教育培訓(xùn)，自覺(jué)汲取安全知識(shí)、提升安全技能。二是安全教育培訓(xùn)要納入企業(yè)的教育培訓(xùn)總體規(guī)劃中，與專(zhuān)業(yè)技能培訓(xùn)、學(xué)歷教育培訓(xùn)有機(jī)融合，確定專(zhuān)責(zé)部門(mén)和人員統(tǒng)一管理，形成完善的安全教育培訓(xùn)體系，避免安全教育培訓(xùn)流于形式的現(xiàn)象出現(xiàn)，使安全教育培訓(xùn)在培訓(xùn)資金、培訓(xùn)時(shí)間、培訓(xùn)場(chǎng)所、培訓(xùn)設(shè)施、培訓(xùn)質(zhì)效等方面從組織結(jié)構(gòu)和管理上得到保障。

3.企業(yè)要形成安全教育培訓(xùn)的閉環(huán)管理流程。安全教育培訓(xùn)的閉環(huán)流程包括全面掌握企業(yè)和員工安全技能和素質(zhì)提升需求，做好安全教育培訓(xùn)需求分析；根據(jù)安全教育培訓(xùn)需求有針對(duì)性的編制安全教育培訓(xùn)計(jì)劃，設(shè)置培訓(xùn)課程；安全教育培訓(xùn)實(shí)施過(guò)程和安全教育培訓(xùn)質(zhì)效評(píng)價(jià)等四個(gè)方面。企業(yè)和員工安全技能和素質(zhì)提升需求調(diào)查，是確定安全教育培訓(xùn)目標(biāo)、制定安全教育培訓(xùn)計(jì)劃的基礎(chǔ)，是進(jìn)行安全教育培訓(xùn)實(shí)施過(guò)程和安全教育培訓(xùn)質(zhì)效評(píng)價(jià)的前提，也是加強(qiáng)培訓(xùn)工作計(jì)劃性、針對(duì)性、可控性和預(yù)見(jiàn)性的關(guān)鍵。企業(yè)和員工安全技能和素質(zhì)提升需求調(diào)查主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：一是安全教育培訓(xùn)部門(mén)和基層單位、班組對(duì)企業(yè)安全教育培訓(xùn)制度的落實(shí)情況；二是企業(yè)安全水平和缺陷、隱患、事故狀況，員工安全意識(shí)、安全技能水平和“三違”現(xiàn)象發(fā)生率；三是員工對(duì)崗位新工藝、新設(shè)備、新技能的認(rèn)知狀況，應(yīng)急處置技能和水平。

編制安全教育培訓(xùn)計(jì)劃和設(shè)置培訓(xùn)課程，應(yīng)根據(jù)各級(jí)安全教育培訓(xùn)體系組織機(jī)構(gòu)實(shí)際，結(jié)合安全教育培訓(xùn)需求調(diào)查制定。計(jì)劃要做到有目標(biāo)、有內(nèi)容、有措施，注重針對(duì)性、實(shí)效性、可行性和操作性。

安全教育培訓(xùn)實(shí)施過(guò)程首先是要明確培訓(xùn)要求，科學(xué)合理的控制培訓(xùn)進(jìn)度，著重從員工安全意識(shí)的提升、安全知識(shí)的完善、安全技能的補(bǔ)缺等方面提高員工整體安全素質(zhì)。基層的單位和班組在安全教育培訓(xùn)工作的實(shí)施中，可從制度、規(guī)范、常態(tài)、學(xué)用結(jié)合等方面出發(fā)，采用安全知識(shí)和技能培訓(xùn)、競(jìng)賽、演講、論壇、專(zhuān)題講座等多種形式，喚起員工參與安全教育培訓(xùn)積極性；把握好安全理念、安全啟迪、事故警示、人機(jī)互動(dòng)等環(huán)節(jié)，對(duì)員工進(jìn)行全方位的安全教育培訓(xùn)；結(jié)合工作實(shí)際和安全實(shí)踐經(jīng)歷，緊貼本單位和班組安全生產(chǎn)工作實(shí)際，開(kāi)展安全知識(shí)和技能學(xué)習(xí)、討論分析事故案例等，真正做到有的放矢。

安全教育培訓(xùn)質(zhì)效評(píng)價(jià)是安全教育培訓(xùn)取得實(shí)效的保障，包括評(píng)估確定、評(píng)估方案制定、評(píng)估實(shí)施和評(píng)估反饋四個(gè)步驟。一是利用聽(tīng)課、座談、問(wèn)卷調(diào)查等方式，對(duì)參培人員進(jìn)行培訓(xùn)計(jì)劃安排、培訓(xùn)內(nèi)容、培訓(xùn)教材、培訓(xùn)進(jìn)度、培訓(xùn)環(huán)境、后勤服務(wù)、授課技巧等方面認(rèn)可程度的評(píng)價(jià)；二是利用試卷答題、技能實(shí)操以及撰寫(xiě)培訓(xùn)心得體會(huì)等方式，掌握參培人員對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容的掌握情況和安全知識(shí)與技能的提升情況；三是通過(guò)對(duì)參訓(xùn)者行為觀察及訪談其主管或同事，評(píng)定參訓(xùn)者接受培訓(xùn)后在工作行為上的變化；四是評(píng)估培訓(xùn)后帶來(lái)的組織相關(guān)產(chǎn)出的變化效果。

第3篇

關(guān)鍵詞：低功耗；無(wú)線供能；電荷泵整流器；低壓差線性穩(wěn)壓器；帶隙基準(zhǔn)電壓源；電源抑制

中圖分類(lèi)號(hào)：TM44；TN722；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）12-00-04

0 引 言

近幾年，受益于集成電路工藝技術(shù)與片上系統(tǒng)（System on Chip，SOC）的不斷發(fā)展，射頻識(shí)別、微傳感網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)境感知等智能技術(shù)得到了飛速發(fā)展。其中，對(duì)于無(wú)線供能植入式芯片的能量管理、功耗等問(wèn)題受到了持續(xù)關(guān)注與研究。當(dāng)能量采集完成后，如何管理該能量是下一代被動(dòng)與半被動(dòng)植入式醫(yī)療設(shè)備的要點(diǎn)之一。

在低功耗植入式芯片中，如低噪聲放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等對(duì)工作電壓及其紋波都有一定的要求，因此須通過(guò)無(wú)線能量管理單元（Wireless Power Management Unit，WPMU）將其電源性能優(yōu)化。在被動(dòng)式芯片中，電荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、帶隙基準(zhǔn)源（Bandgap Reference，BGR）、低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要組成單元[1]。芯片工作時(shí)，人體各種低頻信號(hào)（EEG、ECG）會(huì)通過(guò)相應(yīng)的耦合方式傳輸?shù)诫娫赐飞希瑥亩a(chǎn)生低頻噪聲，因此必須采用相關(guān)技術(shù)獲得高電源抑制比電源。論文首先通過(guò)電荷守恒定理對(duì)傳統(tǒng)Dickson電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及能量轉(zhuǎn)換效率的改進(jìn)；然后采用電源抑制增強(qiáng)（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）與前饋消除（Feed-forword Cancellation，F(xiàn)WC）等技術(shù)分別提高BGR、LDO在運(yùn)放工作帶寬內(nèi)的電源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在輸出節(jié)點(diǎn)并聯(lián)電容以濾除超高頻紋波；最后為保證LDO在負(fù)載變化時(shí)的穩(wěn)定性，利用零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償來(lái)滿(mǎn)足相位裕度的要求。

論文對(duì)高性能無(wú)線能量管理單元預(yù)設(shè)指標(biāo)為：

（1）CPR在輸入500 mV交流小信號(hào)時(shí)能輸出2 V電壓并驅(qū)動(dòng)200 A的電流。

（2）BGR輸出電源抑制比在LDO的工作范圍內(nèi)盡可能大于60 dB，以減小對(duì)LDO的影響。

（3）LDO輸出電源抑制比在生物信號(hào)頻率處（01 kHz）及CPR輸入信號(hào)處大于60 dB，從而提供負(fù)載電路高性能的工作電壓。

（4）在滿(mǎn)足以上性能的情況下，盡可能減小電路工作時(shí)的靜態(tài)電流。

1 無(wú)線能量管理單元的基本原理

圖1所示為論文采用的無(wú)線供能能量管理單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保護(hù)電路（PRO）等模塊。芯片通過(guò)片外天線采集到由基站發(fā)射的高頻無(wú)線能量信號(hào)，CPR將信號(hào)整流后進(jìn)行升壓，產(chǎn)生紋波較大的電壓，并將該能量?jī)?chǔ)存到Cs中。由BGR與LDO所組成的環(huán)路通過(guò)負(fù)反饋輸出紋波較小的VDD來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路。其中BGR為L(zhǎng)DO提供一個(gè)精準(zhǔn)穩(wěn)定的參考電壓，因此BGR的性能影響著LDO輸出電壓的性能。芯片中的保護(hù)電路包括過(guò)溫保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路、限流電路，其主要目的在于意外情況下對(duì)電路關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。

設(shè)計(jì)能量管理單元時(shí)，在無(wú)線供能的環(huán)境下要注意相關(guān)性能的優(yōu)化，而這又伴隨著其它性能的犧牲，下面將詳細(xì)分析論文采用的CPR、BGR、LDO設(shè)計(jì)原理及電路結(jié)構(gòu)。

3 版圖及后仿真結(jié)果

采用SMIC 0.18 m CMOS工藝，在Cadence下對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，無(wú)線能量管理單元的版圖如圖7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模塊，芯片的尺寸大小為277 m×656 m。

電路在工作時(shí)要避免反饋環(huán)路發(fā)生震蕩，必須保證LDO環(huán)路的相位裕度，論文在tt、ff、ss三個(gè)工藝角下對(duì)其進(jìn)行不同負(fù)載電流（0200 A）的仿真，仿真結(jié)果如表1所列。該結(jié)果表明在負(fù)載電流0200 A內(nèi)，由于零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償?shù)淖饔茫辔辉６染笥?0度，根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，LDO環(huán)路能在負(fù)載變化的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

圖8所示為BGR、LDO的PSR仿真波形，從圖中可以看出，BGR采用PSRB技術(shù)后，PSR在低頻降低了近25 dB。當(dāng)LDO采用FWC技術(shù)時(shí)，電源抑制在低頻段得到了顯著提升，電路空載時(shí)，在100 Hz內(nèi)提升了近20 dB，滿(mǎn)載時(shí)提升了近40 dB。

圖912給出了WPMU中CPR與LDO的相關(guān)瞬態(tài)仿真結(jié)果，當(dāng)輸入頻率為500 MHz、幅度為0.5 V的正弦波時(shí)，電路建立時(shí)間約為13 s，CPR的紋波約為5 mV，而LDO的輸出電壓紋波減小至2.3 V，即高頻處PSR約為-66 dB。因此論文采用的LDO在生物信號(hào)頻率處（DC-10 kHz）與輸入信號(hào)頻率處（100 MHz以上）具有較好的PSR。表2對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)與本文設(shè)計(jì)進(jìn)行性能比較，可以看出，該電源管理單元能輸出性能更好的工作電壓。

4 結(jié) 語(yǔ)

論文針對(duì)CPR、LDO、BGR進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于低功耗無(wú)線供能植入式醫(yī)療芯片的能量管理單元。采用SMIC 0.18 m CMOS工藝提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB將BGR的PSR在低頻處從-75 dB降低到-95 dB，這是優(yōu)化LDO電源抑制能力的基本前提。通過(guò)FWC、零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償改善LDO的PSR與穩(wěn)定度，在驅(qū)動(dòng)0.2 mA的負(fù)載電流時(shí)，PSR為-85 dB@DC，而相位裕度在負(fù)載范圍內(nèi)均大于60度，該性能可適用于對(duì)電源性能要求較高的模塊。

參考文獻(xiàn)

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