一种整流器的制作方法

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种整流器。

背景技术：

整流器广泛应用于无线射频识别技术、无线充电、供应链管理和无线传感器网络。其中功率转换效率(Power Conversion Efficiency，PCE)和最低输入电压很大程度上决定了整流器性能的优劣。

传统的单级整流器如图1所示，当输入正端为正电压，输入负端为负电压时，金属氧化物半导体场效应晶体管，即MOS管中，P1和N2导通，P2和N1关断，Vx点为高电平，而Vy点被充电到地，正向导通电流经过P1输出。当输入负端为正电压，输入正端为负电压时，P2和N1导通，P1和N2关断，Vy点为高电平，而Vx点被充电到地，正向导通电流经过P2输出。

传统的多级整流器如图2所示，利用单级整流器串联来组成多级整流器，上一级的直流输入进下一级的直流输入端，并通过累积提高最终的输出电压。当输入正端为正电压，输入负端为负电压时，MOS管中，N4、P3、N6、P5、N2和P1导通，电流通过P3、P5、P1流入下一级或负载。而当输入正端为负电压、输入负端为正电压时，N3、P4、N5、P6、N1和P2导通，电流通过P4、P6、P2流入下一级或负载。

由于传统结构的整流器只能在Vy-Vx大于阈值电压的时候才能导通，因而最低输入电压很高。同时，因为在低电压的状况下，传统结构的整流器很难被偏置进入饱和区，因此极大程度地限制了射频识别或者传感器网络的工作范围。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种整流器，以降低最低输入电压，提高整流器在超低电压输入时的功率转化效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种整流器，至少包括单级整流电路；

所述单级整流电路包括第一飞跨电容、第二飞跨电容、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管和输出电容；

所述第一NMOS管的衬底和源极电连接至前级电路的第二输出端，且与所述前级电路的第一输出端绝缘，栅极与所述第一PMOS管的栅极电连接至所述第二飞跨电容的第一端，漏极与所述第一PMOS管的漏极电连接至所述第一飞跨电容的第一端；

所述第二NMOS管的衬底和源极电连接至所述前级电路的第一输出端，且与所述前级电路的第二输出端绝缘，栅极与所述第二PMOS管的栅极电连接至所述第一飞跨电容的第一端，漏极与所述第二PMOS管的漏极电连接至所述第二飞跨电容的第一端；

所述第一飞跨电容的第二端电连接信号源的正端，所述第二飞跨电容的第二端电连接所述信号源的负端；

所述第一PMOS管的衬底和源极，以及所述第二PMOS管的衬底和源极电连接后作为所述单级整流电路的输出端；

所述输出电容电连接至所述输出端和地之间。

进一步地，所述整流器为单级整流器时，所述第一NMOS管的衬底和源极电连接至所述信号源的负端；

所述第二NMOS管的衬底和源极电连接至所述信号源的正端。

进一步地，所述整流器为多级整流器时，所述整流器还包括多级交流升压电路；

所述前级电路为所述多级交流升压电路中的末级交流升压电路。

进一步地，所述多级交流升压电路包括第一级交流升压电路和第二级交流升压电路；

所述第一级交流升压电路包括第三飞跨电容、第四飞跨电容、第三NMOS管和第四NMOS管；所述第二级交流升压电路包括第五飞跨电容、第六飞跨电容、第五NMOS管和第六NMOS管；

所述第三NMOS管的衬底和源极电连接至所述信号源的负端，栅极电连接至所述第四飞跨电容的第一端，漏极与所述第六NMOS管的衬底及栅极电连接至所述第三飞跨电容的第一端；

所述第四NMOS管的衬底和源极电连接至所述信号源的正端，栅极电连接至所述第三飞跨电容的第一端，漏极与所述第五NMOS管的衬底及栅极电连接至所述第四飞跨电容的第一端；

所述第五NMOS管的栅极电连接至所述第六飞跨电容的第一端，漏极与所述第二NMOS管的衬底及栅极电连接至所述第五飞跨电容的第一端；

所述第六NMOS管的栅极电连接至所述第五飞跨电容的第一端，漏极与所述第一NMOS管的衬底及栅极电连接至所述第六飞跨电容的第一端；

所述第三飞跨电容的第二端和所述第五飞跨电容的第二端电连接所述信号源的正端，所述第四飞跨电容的第二端和所述第六飞跨电容的第二端电连接所述信号源的负端。

进一步地，所述第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管的沟道宽长比相同，第三飞跨电容、第四飞跨电容、第五飞跨电容和第六飞跨电容的大小相同。

进一步地，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的沟道宽长比相同，所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的沟道宽长比相同，所述第一飞跨电容和所述第二飞跨电容的大小相同。

本发明的有益效果是：本发明提供的整流器，利用整流器中单级整流电路的前级电路的输出信号去偏置MOS管的衬底，增大了MOS管的体效应，有效降低了MOS管的阈值电压和电阻，进而降低了整流器的最低输入电压，同时，通过降低阈值电压可以有效地提高整流器在超低电压输入时的功率转化效率。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：

图1是传统的单级整流器的电路图；

图2是传统的多级整流器的电路图；

图3是本发明实施例一提供的单级整流器的电路图；

图4是本发明实施例一提供的单级整流器的效率曲线图；

图5是本发明实施例一提供的单级整流器的输出电压曲线图；

图6是本发明实施例二提供的多级整流器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

本发明提供的一种整流器，可以为单级整流器或多级整流器，适用于低输入电压的情况，可降低整流器的最低输入电压，提高整流器在超低电压输入时的功率转化效率。

具体的，本发明的整流器至少包括单级整流电路。

其中，单级整流电路包括第一飞跨电容、第二飞跨电容、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管和输出电容；

第一NMOS管的衬底和源极电连接至前级电路的第二输出端，且与前级电路的第一输出端绝缘，栅极与第一PMOS管的栅极电连接至第二飞跨电容的第一端，漏极与第一PMOS管的漏极电连接至第一飞跨电容的第一端；

第二NMOS管的衬底和源极电连接至前级电路的第一输出端，且与前级电路的第二输出端绝缘，栅极与第二PMOS管的栅极电连接至第一飞跨电容的第一端，漏极与第二PMOS管的漏极电连接至第二飞跨电容的第一端；

第一飞跨电容的第二端电连接信号源的正端，第二飞跨电容的第二端电连接信号源的负端；

第一PMOS管的衬底和源极，以及第二PMOS管的衬底和源极电连接后作为单级整流电路的输出端；

输出电容电连接至输出端和地之间。

示例性的，图3是本发明实施例一提供的单级整流器的电路图。如图3所示，该单级整流器包括单级整流电路，该单级整流电路包括第一飞跨电容FC1、第二飞跨电容FC2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2和输出电容Cout；其中，N1的衬底和源极电连接至信号源的负端，栅极与P1的栅极电连接至FC2的第一端，漏极与P1的漏极电连接至FC1的第一端；N2的衬底和源极电连接至信号源的正端，栅极与P2的栅极电连接至FC1的第一端，漏极与P2的漏极电连接至FC2的第一端；FC1的第二端电连接信号源的正端，FC2的第二端电连接信号源的负端；P1的衬底和源极，以及P2的衬底和源极电连接后作为单级整流电路的输出端；Cout电连接至输出端和地之间。

其中，N1和N2的沟道宽长比相同，P1和P2的沟道宽长比相同，FC1和FC2的大小相同。

本实施例中，当信号源的正端为正电压，信号源的负端为负电压时，FC1会被充电，而Vx点变成高电平，Vy点变成低电平。N1和P1的栅极都被连接到Vy，所以P1导通，电流由FC1流向负载Rload，而N1关断，防止漏电流流出。N2和P2的栅极都被连接到Vx，因此N2导通，电流由信号源的正端流入Vy，对FC2进行充电。而下一个周期，当信号源的正端为负电压，信号源的负端为正电压时，FC2被充电，而Vy为高电平，Vx为低电平。N2和P2被低电平偏置，因此P2导通，电流由FC2流向负载Rload，而N2关断，防止漏电流流出。N1和P1被高电平偏置，因此N1导通，信号源的负端给FC1充电。

由于在N1和N2导通时，传统结构是由地给FC1和FC2充电，而本发明是由信号源输入的正电平为FC1和FC2充电，因此飞跨电容会积累更多电荷，用于下个周期的释放。而由于MOS管的衬底被偏置得更大，所以MOS管阈值电压更小，进而能在更低的输入电压的条件下工作。

参考图4，实线为本发明单级整流器的效率曲线，虚线为传统的单级整流器的效率曲线。图中，A、B、C和D点的坐标分别为(276.0824,34.3842)、(276.0824,20.1995)、(327.3796,57.5576)和(327.3796,48.0714)，即当输入电压为276.0824mV时，本发明的单级整流器的效率为34.3842％，传统的单级整流器的效率为20.1995％，当输入电压为327.3796mV时，本发明的单级整流器的效率为57.5576％，传统的单级整流器的效率为48.0714％。

参考图5，实线为本发明单级整流器的输出电压曲线，虚线为传统的单级整流器的输出电压曲线。图中，a、b、c和d点的坐标分别为(281.8584,297.2797)、(281.8584,116.1994)、(327.0,578.275)和(327.0,279.0926)，即当输入电压为281.8584mV时，本发明的单级整流器的输出电压为297.2797mV，传统的单级整流器的输出电压为116.1994mV，当输入电压为327.0mV时，本发明的单级整流器的输出电压为578.275mV，传统的单级整流器的输出电压为279.0926mV。

综上，在超低电压输入时，本发明的单级整流器的功率转换效率有显著提高。

本发明实施例一提供的单级整流器，利用整流器中单级整流电路的前级电路的输出信号去偏置MOS管的衬底，增大了MOS管的体效应，有效降低了MOS管的阈值电压和电阻，进而降低了整流器的最低输入电压，同时，通过降低阈值电压可以有效地提高整流器在超低电压输入时的功率转化效率。

实施例二

图6是本发明实施例二提供的多级整流器的电路图。本实施例与实施例一的不同是，本实施例的整流器为多级整流器。如图6所示，该多级整流器可包括单级整流电路和多级交流升压电路。本实施例中，前级电路为多级交流升压电路中的末级交流升压电路。

其中，本实施例中的单级整流电路与实施例一中的相同，多级交流升压电路可包括第一级交流升压电路和第二级交流升压电路。

第一级交流升压电路包括第三飞跨电容FC3、第四飞跨电容FC4、第三NMOS管N3和第四NMOS管N4；第二级交流升压电路包括第五飞跨电容FC5、第六飞跨电容FC6、第五NMOS管N5和第六NMOS管N6；

N3的衬底和源极电连接至信号源的负端，栅极电连接至FC4的第一端，漏极与N6的衬底及栅极电连接至FC3的第一端；

N4的衬底和源极电连接至信号源的正端，栅极电连接至FC3的第一端，漏极与N5的衬底及栅极电连接至FC4的第一端；

N5的栅极电连接至FC6的第一端，漏极与N2的衬底及栅极电连接至FC5的第一端；

N6的栅极电连接至FC5的第一端，漏极与N1的衬底及栅极电连接至FC6的第一端；

FC3的第二端和FC5的第二端电连接信号源的正端，FC4的第二端和FC6的第二端电连接信号源的负端。

上述方案中，N3、N4、N5和N6的沟道宽长比相同，FC3、FC4、FC5和FC6的大小相同。

本实施例中，当信号源的正端为正电压，信号源的负端为负电压时，N4导通，电流由信号源的正端流入FC4。而由于N6和N2导通，FC3和FC5的电荷分别流入FC6和FC2。而当信号源的正端为负电压,信号源的负端为正电压时，N3导通，电流由信号源的负端流入FC3。而由于N3和N5导通，FC4和FC6的电荷分别流入FC5和FC1中，并最终通过P1和P2整流。

由于本实施例的多级整流器比传统结构少了4个PMOS管，减小了MOS上的消耗。同时，本实施例的方案降低了所有NMOS管的阈值电压，使NMOS管可以在更低电压下工作。

本实施例二提供的多级整流器，利用整流器中单级整流电路的前级电路的输出信号去偏置MOS管的衬底，增大了MOS管的体效应，有效降低了MOS管的阈值电压和电阻，进而降低了整流器的最低输入电压，同时，采用多级交流升压电路，在最后一级进行整流，减小了MOS管的压降，且比传统结构少了4个PMOS管，减小了MOS上的消耗，有效地提高了整流器在超低电压输入时的功率转化效率。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。