CN103269173B - 一种有源倍压整流电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源倍压整流电路。本发明比较器CMP_N1中PMOS管P₂₆和电阻R₂₁提供电流偏置，PMOS管P₂₇、P₂₈、NMOS管N₂₅、N₂₆组成共栅比较电路，经反相器U₂₁、U₂₂、U₂₃反相后输出V_CN用来驱动导通管N₂₁；共栅比较电路的输出经PMOS管P₃₀、P₃₁、NMOS管N₂₈组成的电流饥饿型反相器和PMOS管P₃₂、P₃₃、NMOS管N₂₉组成的电流饥饿型反相器后，经反相器U₂₄、U₂₅，输入到NMOS管N₂₄和PMOS管P₂₅的栅极。本发明在两个失调电压控制上，避免过快关闭此失调电压引起比较器输出信号的误翻转。

Description

一种有源倍压整流电路

技术领域

本发明属于整流电路领域，特别涉及有源倍压整流电路。

背景技术

整流电路是一种将交流信号转换成直流信号的电路，通常要求输入交流电压的峰值大于需要的输出直流电压，这在一些应用场合将受到限制。比如在植入式医疗器件无线供电应用中，通常采用的方法是：体内线圈通过与体外线圈感应耦合来传输能量，由于体内线圈的尺寸限制，且体内外线圈之间的相对距离较远，导致体内外线圈间的耦合系数通常很低，体内接收线圈接收到的电压幅值通常较小。若采用传统的整流器，为达到足够的接收电压用于整流，将使体外发送线圈的电压过高，这给人体带来一定的损伤风险。又如，在微小环境能量采集中，采集到的电压信号通常较小，若采用传统整流器，将减小能量转换的工作范围，降低效率。倍压整流电路的直流输出电压可以接近2倍输入交流电压峰值，因此，比传统整流器具有更低的输入电压要求。

无源倍压整流器由于使用的二极管或二极管接法的晶体管存在较大的导通压降，效率较低。肖特基二极管虽然导通压降较低，但是存在较大的漏电流且与标准CMOS工艺不兼容而增加成本。采用阈值电压补偿技术可以降低导通压降，但是仍存在漏电流和反向电流等问题，降低传输效率。目前大都采用有源二极管的有源倍压整流器，使导通管工作在深三极管区来提高整流效率。

图1为现有的有源倍压整流器电路原理图，主要包括输入电容C_IN，负载电容C_L，负载电阻R_L，由比较器CMP_N和NMOS管N₁、N₂组成的有源二极管，由比较器CMP_P和PMOS管P₁、P₂、P₃、P₄组成的有源二极管，以及启动电路等。其工作原理如下：当***正常工作时，启动电路的输出SU为地电平V_SS，SUB为高电平V_OUT。此时，随输入信号V_IN的下降，V_VD信号下降，当V_VD低于V_SS时，比较器CMP_N输出高电平，打开NMOS管N₁，给输入电容C_IN充电，电流从地电平流向电容C_IN。当输入信号达到最小值-V_IN,peak时，C_IN两端电压为V_IN,peak-V_DN，其中V_DN为此时N₁管的导通压降。随着输入信号V_IN开始增大，当V_VD高于V_SS时，比较器CMP_N输出低电平，关闭NMOS管N₁，隔离了V_VD电压并使V_VD电压随输入电压变化，其值为V_IN,peak-V_DN+V_IN。当V_VD高于输出电压V_OUT时，比较器CMP_P输出低电平，打开PMOS管P₁，电流从V_VD流向负载电容C_L和负载电阻R_L。此倍压整流器能达到的最大输出电压为2V_IN,peak-V_DN-V_DP，其中V_DP为P₁管的导通压降。

由于N₁管和P₁管尺寸较大，比较器在打开和关闭它们时需要一定的延时，将导致不必要的电流泄露或减少必要的充电电流，降低效率。通过人为设计比较器的失调，可以减小传输延时带来的效率降低。比较器CMP_N和比较器CMP_P的工作原理类似，这里以CMP_N为例进行说明，请参阅图2，为CMP_N的电路原理图，图中P₆和电阻R₁提供电流偏置，P₇、P₈、N₃、N₄组成共栅比较电路，经U₁反相器后输出V_CN。比较器的正相输入端接V_SS，反相输入端接V_VD。失调电压由两部分组成：1）设计的由N₆控制的电流源N₅，在N₆管打开时，N₅与N₄并联，引入一个失调电压，大小为V_N,offset1，当V_VD从高到低减小到V_SS+V_N,offset1时，比较器正相和反相输入端电压达到平衡，随着V_VD进一步减小，在V_VD到达V_SS时，比较器输出V_CN刚好输出高电平。V_CN输出高电平后，经P₁₆、P₁₇和N₈组成的电流饥饿型反相器（Current-starved Inverter）后变为低电平，反馈到N₆的栅极，关闭N₆，消除此失调电压V_N,offset1的影响。2）设计的P₈的宽长比大于P₇的宽长比，引入一个失调电压，大小为V_N,offset2，当V_VD从低到高增大到V_SS-V_N,offset2时，比较器正相和反相输入端电压达到平衡，随着V_VD的进一步增大，在V_VD到达V_SS时，比较器输出V_CN刚好输出低电平。V_CN输出低电平后，经P₁₆、P₁₇和N₈组成的电流饥饿型反相器变为高电平，反馈到N₆的栅极，打开N₆。为下一周期做准备。

P₁₆、P₁₇和N₈组成的电流饥饿型反相器，输入信号V_CN从高到低变化时，反相器传输延时为t_dHL，在V_CN从低到高变化时，反相器传输延时为t_dLH。由于P₁₆的电流源特性，t_dLH要比t_dHL小很多，存在如下问题：V_VD信号从高于V_SS下降到等于V_SS+V_N,offset1时，比较器开始翻转，当V_VD等于V_SS时，V_CN刚好从低电平翻转成高电平，经t_dLH延时后打开N₆并使失调电压V_N,offset1失效，此时，由于t_dLH时间很短，若V_SS-V_VD<V_N,offset2，则V_CN信号将再次翻转成低电平关闭N₁，直到V_VD信号下降到小于-V_N,offset2时，V_CN翻转成高电平打开N₁。V_CN的误翻转，减小了本应对输入电容进行充电的时间，降低了倍压整流器的转换效率。

在倍压整流器未建立稳定的输出电压之前，比较器不能正常工作。现有的倍压整流器将此时的N₁、P₁管接成二极管接法，形成无源倍压整流器。启动电路的原理图，请参阅图3。当V_OUT电压较低时，SU为高电平V_OUT，SUB为低电平V_SS。请参阅图1，此时，启动电路的输出SU和SUB使N₂和P₂管导通，同时，请参阅图2，SUB为低电平V_SS，打开P₁₂使比较器CMP_N的输出为低电平V_SS。与比较器CMP_N中类似，比较器CMP_P的输出也在SU信号的作用下变为高电平V_OUT。当V_OUT上升到一定电压时，启动电路的输出SU变成低电平V_SS，SUB变称高电平V_OUT，此时N₂和P₂管关闭，比较器CMP_N和CMP_P正常工作，***进入有源模式。实际上，由于启动时间很短，启动电路工作时间很多，在能量连续长时间供给时，启动电路本身又将消耗一定的能量，降低***效率。

本发明基于现有的倍压整流原理，针对上述提到的问题，进行了改进。

发明内容

本发明通过对有源倍压整流器中比较器的失调电压进行设计，消除比较器驱动导通晶体管需要的传输延时对整流效率的影响。针对现有有源倍压整流器中比较器输出电压误翻转的缺点，通过合理设计失调电压控制电路进行改进；针对现有有源倍压整流器中启动电路降低传输效率的不足，将启动电路去除进行改进。

本发明所采用的技术方案：

本发明包括输入电容C_IN，负载电容C_L，负载电阻R_L，比较器CMP_N1、比较器CMP_P1，NMOS管N₂₁、PMOS管P₂₁、PMOS管P₂₂、PMOS管P₂₃。 

所述的比较器CMP_N1中PMOS管P₂₆和电阻R₂₁提供电流偏置，PMOS管P₂₇、PMOS管P₂₈、NMOS管N₂₅、NMOS管N₂₆组成共栅比较电路，经反相器U₂₁、反相器U₂₂、反相器U₂₃反相后输出V_CN用来驱动导通管N₂₁，即NMOS管N₂₁；反相器U₂₂的尺寸是反相器U₂₁的4倍，反相器U₂₃的尺寸是反相器U₂₂的4倍，用于驱动尺寸更大的导通管N₂₁；比较器CMP_N1的正相输入端接V_SS，反相输入端接V_VD；共栅比较电路的输出经PMOS管P₃₀、PMOS管P₃₁、NMOS管N₂₈组成的电流饥饿型反相器和PMOS管P₃₂、PMOS管P₃₃、NMOS管N₂₉组成的电流饥饿型反相器后，经反相器U₂₄、反相器U₂₅，输入到NMOS管N₂₄和PMOS管P₂₅的栅极，用于控制失调电压；当PMOS管P₂₅导通时，NMOS管N₂₄关闭，此时NMOS管N₂₇与NMOS管N₂₆并联，相当于引入了大小为V_offset,N1的失调电压；当PMOS管P₂₅关闭时，NMOS管N₂₄导通，此时PMOS管P₂₉与PMOS管P₂₈并联，相当于引入了大小为V_offset,N2的失调电压；电容C₂₁~C₂₂用于减少连接处电压的波动，避免电压误翻转。

本发明具有如下优点：

采用本发明电路的倍压整流器与现有倍压整流电路比，具有三个优点：

（1）在两个失调电压控制上，当一个失调电压起作用后，都经过足够的延时来关闭此失调电压，并打开另一失调电压，避免过快关闭此失调电压引起比较器输出信号的误翻转。延时的控制采用两个相同的电流饥饿型反相器串联实现，这样对于经过他们的信号，无论是从低电平到高电平转换，还是从高电平到低电平转换，将产生近似相等、大小合适的延时。

（2）在每个比较器中设计的两个失调电压，一个有效时另一个失效，可以减小不必要的静态功耗浪费。不像现有倍压整流器中，每个比较器的两个失调电压中一个永久有效。

（3）不需要启动电路，进一步降低功耗，提高效率。在倍压整流器输出电压V_out较低时，无启动电路控制，虽然比较器不能正常工作，但由于此时比较器输出的电压幅值很小，并不能使传输管N₂₁或P₂₁导通，此时的结果与比较器输出为0时，差别不大，***的工作状态与无源倍压整流器类似。随着倍压整流器输出电压V_out增大到1V左右，比较器开始正常工作，进入有源倍压整流模式。现有倍压整流器结构中，启动电路只在启动时很短的时间内起作用，启动之后并无作用，若输入信号连续长时间供电，那么启动电路将消耗额外的功耗。

附图说明

图1为现有倍压整流器的电路原理图。

图2为现有倍压整流器中比较器CMP_N的电路原理图。

图3为现有倍压整流器中启动电路的电路原理图。

图4为本发明倍压整流器的电路原理图。

图5为本发明倍压整流器中比较器CMP_N1的电路原理图。

图6为本发明倍压整流器中比较器CMP_P1的电路原理图。

图7为本发明实施例中倍压整流器的输入电压V_IN和输出电压V_OUT的波形。

图8为本发明实施例中倍压整流器的V_VD电压、比较器CMP_N1输出电压V_CN和比较器CMP_N1中控制N₂₄和P₂₅的栅极电压V_N的波形。

图9为本发明实施例中倍压整流器的V_VD电压和比较器CMP_N1输出电压V_CN的波形。

图10为本发明实施例中倍压整流器的V_VD电压、比较器CMP_P1输出电压V_CP和输出电压V_OUT的波形。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

请参阅图4，为本发明有源倍压整流器电路原理图，主要包括输入电容C_IN，负载电容C_L，负载电阻R_L，由比较器CMP_N1和CMP_P1，NMOS管N₂₁和PMOS管P₂₁、P₂₂、P₂₃等。这里不需要启动电路。其工作原理与现有的倍压整流电路相似，但在比较器的设计上为解决比较器输出误翻转的问题做了改进。

比较器CMP_N1的电路原理，请参阅图5。图中P₂₆和电阻R₂₁提供电流偏置，P₂₇、P₂₈、N₂₅、N₂₆组成共栅比较电路，经反相器U₂₁、U₂₂、U₂₃反相后输出V_CN用来驱动图4中的导通管N₂₁。U₂₂反相器的尺寸是U₂₁的4倍，U₂₃反相器的尺寸是U₂₂的4倍，用于驱动尺寸更大的N₂₁管。比较器的正相输入端接V_SS，反相输入端接V_VD。共栅比较电路的输出经P₃₀、P₃₁、N₂₈组成的电流饥饿型反相器和P₃₂、P₃₃、N₂₉组成的电流饥饿型反相器后，经反相器U₂₄、U₂₅，输入到N₂₄和P₂₅的栅极，用于控制失调电压。当P₂₅导通时，N₂₄关闭，此时N₂₇与N₂₆并联，相当于引入了大小为V_offset,N1的失调电压；当P₂₅关闭时，N₂₄导通，此时P₂₉与P₂₈并联，相当于引入了大小为V_offset,N2的失调电压。电容C₂₁~C₂₂用于减少它们所连接处电压的波动，避免电压误翻转。

比较器CMP_P1的电路原理，请参阅图6。其工作原理与图5所示比较器CMP_N1的工作原理类似。

在植入式医疗器件无线供电中，体内线圈通过与体外线圈感应耦合来传输能量，体内的线圈接收到交流电压后需经整流，给其他电路供电，如对其他模拟集成电路供电一般需2.5V电压或3.3V电压，这里以3.3V电压为例。采用传统整流电路，需要的接收电压峰值在不考虑其他非理想因数时必须大于3.3V，而倍压整流电路则可以小很多，如使用本发明只需1.9V左右，可以减少无线电能传输时穿过人体组织的电压。此时，倍压整流电路的输入输出波形如图7所示。从图中可见，输出电压从启动0V启动，逐渐在3.3V左右稳定。

具体地，参考图8，同时参考图5，当V_VD电压从高到低下降到V_SS电压之前比较器CMP_N1开始翻转，因为此时图5中N₂₄和P₂₅的栅极电压V_N为低电平，失调电压V_offset,N1有效，当V_VD电压到达V_SS时，比较器CMP_N1的输出刚好从低电平跳变到高电平，打开N₂₁管。从图8中可见，V_N在V_CN跳变后经一定的延时，也从低电平跳变到高电平，使失调电压V_offset,N1失效，同时使失调电压电压V_offset,N2有效，在失调电压电压V_offset,N2的作用下，当V_VD电压从低到高上升到V_SS电压之前比较器CMP_N1开始翻转，当V_VD电压到达V_SS时，比较器CMP_N1的输出刚好从高电平跳变到低电平，关闭N₂₁管。V_N在V_CN跳变后经一定的延时，也从高电平跳变到低电平，使失调电压V_offset,N2失效，同时使失调电压电压V_offset,N1有效，为下一周期做准备。一个周期内CMP_N1的作用完成。比较器CMP_P1的工作原理与此类似，不再叙述。

在启动时，倍压整流器的输出电压V_OUT较低，此时，比较器不能如前所述这样正常工作，但此时由于比较器的输出电压较低，对***无影响，且倍压整流器的输出电压经几个周期后，马上上升到能使比较器正常工作的电压。这个启动过程的V_VD电压和比较器CMP_N1的输出电压V_CN波形，如图9所示；V_VD电压、比较器CMP_P1的输出电压V_CP和输出电压V_OUT的波形如图10所示。

Claims (1)

1.一种有源倍压整流电路，包括输入电容C_IN，负载电容C_L，负载电阻R_L，比较器CMP_N1和NMOS管N₂₁组成的有源二极管，比较器CMP_P1和PMOS管P₂₁、PMOS管P₂₂、PMOS管P₂₃组成的有源二极管，

其特征在于：

所述的比较器CMP_N1中PMOS管P₂₆和电阻R₂₁提供电流偏置，PMOS管P₂₇、PMOS管P₂₈、NMOS管N₂₅、NMOS管N₂₆组成共栅比较电路，经反相器U₂₁、反相器U₂₂、反相器U₂₃反相后输出驱动信号V_CN用来驱动导通管N₂₁，即NMOS管N₂₁；反相器U₂₂的尺寸是反相器U₂₁的4倍，反相器U₂₃的尺寸是反相器U₂₂的4倍，用于驱动尺寸更大的导通管N₂₁；比较器CMP_N1的正相输入端接地电平V_SS，反相输入端接NMOS管N₂₁源极端的电压信号V_VD；共栅比较电路的输出经PMOS管P₃₀、PMOS管P₃₁、NMOS管N₂₈组成的电流饥饿型反相器和PMOS管P₃₂、PMOS管P₃₃、NMOS管N₂₉组成的电流饥饿型反相器后，经反相器U₂₄、反相器U₂₅，输入到NMOS管N₂₄和PMOS管P₂₅的栅极，用于控制失调电压；当PMOS管P₂₅导通时，NMOS管N₂₄关闭，此时NMOS管N₂₇与NMOS管N₂₆并联，相当于引入了大小为V_offset,N1的失调电压；当PMOS管P₂₅关闭时，NMOS管N₂₄导通，此时PMOS管P₂₉与PMOS管P₂₈并联，相当于引入了大小为V_offset,N2的失调电压；电容C₂₁~C₂₂用于减少连接处电压的波动，避免电压误翻转。