基于延迟控制器的有源整流器的制作方法

本发明属于低功耗集成电路技术领域，特别涉及一种基于延迟控制器的有源整流器。

背景技术：

随着医学技术的飞速发展，满足各类以治疗和诊断为目的的可植入人体医用装置的种类日益增多。随着植入式系统的不断发展和功能的复杂化，对于无线供电系统也提出了小体积，低电压，高效率，高可靠性的要求。

在应用于植入式生物医学系统的无线供电系统和消费类无线供电解决方案中，由于输入交流电压幅度较低，传统的二极管整流器的阈值电压带来的电压损失严重的影响整流器的转换效率，从而降低了无线供电系统的转换效率。有源整流器由于其更小的阈值电压损失，逐渐成为无线供电系统中整流器单元的主流解决方案。

传统的有源整流器是基于比较器结构的，由两个交叉耦合的pmos和两个带有比较器的nmos组成的有源二极管组成。由于无线供电系统的工作频率一般较高，一般是在百khz量级，13.56mhz等频段内，因此传统的有源整流器需要比较器具有较高的速度，以实现功率管nmos的准确导通和关断。但是高速的比较器又会消耗更多的功耗，所以，更多的文献都致力于实现低功耗高速比较器，并解决高速比较器低功耗化后存在的问题。

文献“anefficiency-enhancedcmosrectifierwithunbalanced-biasedcomparatorsfortranscutaneous-poweredhigh-currentimplants，”(s.guoandh.lee,ieeejournalofsolid-statecircuits,vol.44,no.6,june2009)通过非平衡偏置电流的方法，在比较器的输入端引入了一个固定的失调电压vos，实现了比较器下降沿的超前比较，从而在较低的功耗下实现了有源nmos管的提前关断，有效地减小了反向漏电所导致的额外功耗。然而，固定的失调电压在实现提前关断的情况下，使得导通沿滞后，从而使整流器的导通角减小，导通损耗在一定情况下甚至有所增加，整流器的转换效率只有有限的提升。

文献：“anintegratedpower-efficientactiverectifierwithoffset-controlledhighspeedcomparatorsforinductively-poweredapplications,”(h.leeandm.ghovanloo，ieeetransactionsoncircuitsandsystems—i:regularpapers,vol.58,no.8,august2011)则在以上研究基础上，通过控制非平衡电流的导通与关断，在比较器的输入端动态的引入两个失调电压vos+和vos-，实现了在一定功耗控制下，整流器的提前导通和关断。整流器的工作频率达到了13.56mhz，处于工业、科研、医疗专用频率(ism)规定的带宽内，可以实现植入式系统中的应用。然而，由于两个超前的失调电压使得比较器本身不稳定，软件仿真中会产生多重脉冲问题，实际应用甚至会由于振荡导致有源整流器不工作。

文献：“a13.56mhzcmosactiverectifierwithswitched-offsetandcompensatedbiasingforbiomedicalwirelesspowertransfersystems，”(luyanandkiwing-hung,ieeetransbiomedcircuitssyst,vol.8,pp.334-44,jun2014.)指出了上一篇文献中比较器使用两个失调电压会导致的多重脉冲和不稳定的问题，并通过开关失调(switched-offset)的方式予以解决。但是，该文献中仅仅是把上一篇文献中vos+～vos-的双失调电压减小为0～vos-，降低了有源整流器发生不稳定的概率，并没有从根本上解决双失调电压所带来的稳定性问题。

文献：“adaptiveon/offdelay-compensatedactiverectifiersforwirelesspowertransfersystems，”(lincheng，wing-hungki，yanlu,tak-sangyim，ieeejournalofsolid-statecircuits,vol.51,pp.712-723,2016.)和文献：“anear-optimum13.56mhzcmosactiverectifierwithcircuit-delayreal-timecalibrationsforhigh-currentbiomedicalimplants，”(chenghuang，torukawajiri，hirokiishikuro，ieeejournalofsolid-statecircuits,vol.51,pp.1797-1809,2016.)则在前面的研究基础上，采用负反馈控制技术，自适应的控制非平衡电流的大小，从而控制失调电压的大小，也就是控制补偿的延时的大小。实现了比较器高速度和低功耗特点的结合，将整流器的转换效率提升到了90％左右。而对于双失调电压带来的不稳定的问题，文献：“adaptiveon/offdelay-compensatedactiverectifiersforwirelesspowertransfersystems，”(lincheng，wing-hungki，yanlu,tak-sangyim，ieeejournalofsolid-statecircuits,vol.51,pp.712-723,2016.)采用一种one-shot电路，利用反馈置位的方式来消除不稳定的多重脉冲。然而，由于one-shot电路利用的是反馈信号，该反馈信号和比较器的输入存在竞争关系。一旦该反馈信号在时域上晚于比较器的输入，多重脉冲依然会产生。

无论是应用于植入式生物医疗系统中的无线供电系统，还是消费类的无线供电系统，可靠性始终是无线供电系统最基本的要求。另外，作为供电系统，转换效率是无线供电系统性能参数中重要的一个。作为无线供电系统中的重要组成部分，整流器也应该具有较高的可靠性和转换效率。

传统的基于比较器结构的有源整流器中，双失调电压的方式能够使比较器在较低的功耗下实现较高的速度，但是，该结构所带来的不稳定的问题尚未从根本上得到完全的解决，严重影响有源整流器的可靠性。另外，由于失调电压能提供的延迟时间补偿有限，有源整流器中比较器仍然消耗比较大的功耗(200～400μa)，因而有源整流器在轻负载(iload<1ma)下的转换效率很难达到85％，严重制约了有源整流器的应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于延迟控制器的有源整流器，以解决上述技术问题。本发明整流器不再使用高功耗的高速比较器，设计了一种基于延迟控制的整流器，延迟控制器产生功率管的导通、关断信号，从根本上避免了传统有源整流器存在的多重脉冲的稳定性问题。另外，由于延迟控制器的功耗比比较器有了大幅的降低，使有源整流器的转换效率，尤其是轻负载下的转换效率得到了大幅的提高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于延迟控制器的有源整流器，包括功率级、驱动级和延迟控制器；

驱动级包括驱动器drivera和driverb；

功率级包括功率nmos管mna、功率nmos管mnb、功率pmos管mpa和功率pmos管mpb；

延迟控制器的输入端连接输入节点电压va、vb，输入节点电压va、vb连接交流耦合输入vac；输出功率管栅极信号vgna、vgnb分别连接驱动器drivera的输入端和driverb的输入端；驱动器drivera的输出端和driverb的输出端分别连接功率级中功率nmos管mna的栅极和功率nmos管mnb的栅极；功率nmos管mna的源极和功率nmos管mnb的源极接地；功率nmos管mna的漏极和功率nmos管mnb的漏极分别连接功率pmos管mpa的漏极和功率pmos管mpb的漏极；功率pmos管mpb的栅极连接输入节点电压va和功率pmos管mpa的漏极；功率pmos管mpa的栅极连接输入节点电压vb和功率pmos管mpb的漏极；功率pmos管mpa的源极和功率pmos管mpb的源极连接整个有源整流器的输出端vrec。

进一步的，延迟控制器包括偏置电流模块、时钟产生器、栅极信号产生器、采样电路和电流控制器；

偏置电流模块为时钟产生器和电流控制器提供基准电流；

时钟产生器的输入端连接va、vb，通过比较输入节点电压va、vb的大小，为栅极信号产生器和采样电路提供一对差分时钟clkp、clkn；

栅极信号产生器利用差分时钟clkp、clkn和电流控制器所控制的电流ion和id产生整流器所需要的功率管栅极信号vgna、vgnb；

采样电路包括采样逻辑和开关电容采样单元；采样逻辑利用差分时钟clkp、clkn和功率管栅极信号vgna、vgnb控制开关电容采样单元，对输入节点电压va和vb进行采样，采样得到的电压von和vd给电流控制器；

电流控制器利用电压von和vd调节电流ion和id；

栅极信号产生器，采样电路和电流控制器组成一个负反馈回路，使得采样电压von和vd最终稳定到0，整流器导通时没有反向漏电流，栅极信号vgna，vgnb达到最大化。

进一步的，延迟控制器，具有两个作用：1)、根据输入节点电压va、vb采用控制延迟时间的方法产生所需要的功率管栅极信号vgna、vgnb；2、利用负反馈回路，使整个整流器导通/关断时输入节点电压va、vb为0，整流器导通状态时没有反向漏电流，同时栅极信号vgna，vgnb的脉冲宽度达到最大化。

进一步的，栅信号产生器包括第一电流控制延时单元、第二电流控制延时单元、四个单脉冲产生器、第一sr锁存器和第二sr锁存器；

第一电流控制延时单元的输入端in1连接clkp，输入端in2连接clkn；第一电流控制延时单元的电流控制端连接ion；第一电流控制延时单元的输出端out1连接第二电流控制延时单元的输入端in1，第一电流控制延时单元的输出端out2连接第二电流控制延时单元的输入端in2；第二电流控制延时单元的电流控制端连接id；第一电流控制延时单元的两个输出端out1、out2分别连接第一单脉冲产生器的输入端和第四单脉冲产生器的输入端；第二电流控制延时单元的两个输出端out1、out2分别连接第二单脉冲产生器的输入端和第三单脉冲产生器的输入端；第一至第四单脉冲产生器的输出端分别输出脉冲信号pra、pfa、pfb、prb，pra和pfa连接第一sr锁存器的两个输入端，第一sr锁存器的输出端输出功率管栅极信号vgna；pfb和prb连接第二sr锁存器的两个输入端，第二sr锁存器的输出端输出功率管栅极信号vgnb。

进一步的，第一电流控制延时单元通过电流电流ion控制输出信号相对于两个输入差分时钟的延时；第二电流控制延时单元通过电流电流id控制第二电流控制延时单元的两个输出相对于第一电流控制延时单元的两个输出的延时。

进一步的，电流控制器由依次连接的电平转换电路、比较器cmp1和cmp2、逻辑控制电路、开关电流积分器、电压电流转换器和电流减法器组成；电平转换电路的输入端输入电压von/vd,电流减法器的输出端输出电流ion/id。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的延迟控制器通过电流控制延时来产生功率管的栅极信号，从而避免了传统的基于比较器的有源整流器的多重脉冲问题，提高了有源整流器电路的鲁棒性和工作的可靠性。

进一步的，由于采用负反馈技术，基于延迟控制器的有源整流器的导通角能在不引入反向漏电流的情况下达到最大的占空比，提高了有源整流器的转换效率。

进一步的，由于延迟控制器的功耗远小于传统的有源整流器中比较器的功耗，进一步地提升了有源整流器的转换效率，尤其是轻负载下的效率。

进一步的，延迟控制器内部的负反馈机制使得有源整流器具有很好的抵抗工艺变化的能力，具有强的工艺鲁棒性。

附图说明

图1本发明中基于延迟控制器的有源整流器的结构示意图；

图2本发明中延迟控制器的结构示意图；

图3延迟控制器中栅信号产生器的结构示意图；

图4栅信号产生器中关键节点波形示意图；

图5栅信号产生器中电流控制延时单元的结构示意图；

图6电流控制延时单元中关键节点波形示意图；

图7延迟控制器中电流控制器的结构示意图；

图8电流控制器中关键节点波形示意图；

图9有源整流器的启动和稳定后的仿真波形图；

图10有源整流器的转换效率随负载电阻和输入幅度的变化关系图；

图11有源整流器的蒙特卡洛瞬态仿真波形图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种基于延迟控制器的有源整流器，由功率级、驱动级和延迟控制器。功率级包括2个交叉耦合的功率pmos和两个功率nmos。驱动级则是由两个驱动器组成。

功率级电路是有源整流器的主通路，通过控制mna，mpb和mnb，mpa的交替导通，交流输入vac可以转化为直流输出vrec。由于功率级晶体管具有较大的栅极寄生电容，延迟控制器不能直接驱动，驱动级电路可以增强信号的驱动能力，使得延迟控制器的输出信号经过驱动级电路后，驱动具有较大寄生电容的功率级晶体管。延迟控制器是本发明提出的有源整流器的核心结构。该模块通过延时控制的方式生成功率级的栅极信号，并通过负反馈控制维持栅极信号上升和下降时刻的稳定。

延迟控制器的输入端连接输入节点电压va、vb，输入节点电压va、vb连接交流耦合输入vac；输出功率管栅极信号vgna、vgnb分别连接驱动器drivera的输入端和driverb的输入端；驱动器drivera的输出端和driverb的输出端分别连接功率级中功率nmos管mna的栅极和功率nmos管mnb的栅极；功率nmos管mna的源极和功率nmos管mnb的源极接地；功率nmos管mna的漏极和功率nmos管mnb的漏极分别连接功率pmos管mpa的漏极和功率pmos管mpb的漏极；功率pmos管mpb的栅极连接输入节点电压va和功率pmos管mpa的漏极；功率pmos管mpa的栅极连接输入节点电压vb和功率pmos管mpb的漏极；功率pmos管mpa的源极和功率pmos管mpb的源极连接整个有源整流器的输出端vrec。

延迟控制器，具有两个作用：1、根据输入节点电压va、vb产生所需要的功率管栅极信号vgna、vgnb；2、其中设计有负反馈回路，使整个整流器导通/关断时没有反向漏电流，栅极信号vgna，vgnb达到最大化。

请参阅图2所示，延迟控制器包括偏置电流模块、时钟产生器、栅极信号产生器、采样电路和电流控制器。偏置电流模块为时钟产生器和电流控制器提供基准电流。

时钟产生器通过比较输入节点电压va、vb的大小，为所有其他它电路提供一对差分时钟(clkp，clkn)。

栅极信号产生器利用差分时钟和电流控制器所控制的电流ion和id产生整流器所需要的功率管栅极信号vgna、vgnb。

采样电路包括采样逻辑和开关电容采样单元。采样逻辑利用差分时钟(clkp，clkn)和功率管栅极信号(vgna,vgnb)控制开关电容采样单元，对输入节点电压va和vb进行采样。采样得到的电压von和vd给电流控制器。

电流控制器利用电压von和vd自适应的调节电流ion和id。栅极信号产生器，采样电路和电流控制器组成一个负反馈回路，使得采样电压von和vd最终稳定到0，整流器导通时没有反向漏电流，栅极信号vgna，vgnb达到最大化。

本发明提出的栅信号产生器的结构如图3所示。栅信号产生器由两个级联的电流控制延时单元(ccdl)，单脉冲产生器和两个sr锁存器组成。电流控制延时单元(ccdl)1由电流ion控制，调节栅信号的导通时间，电流控制延时单元(ccdl)2由电流id控制，调节栅信号的关断时间，如图4所示。单脉冲产生器把延时后的信号恢复成短脉冲，给sr锁存器，生成所需要的栅极信号vgna，vgnb。

电流控制延时单元(ccdl)1的输入端in1连接clkp，输入端in2连接clkn；电流控制延时单元(ccdl)1的电流控制端连接ion；电流控制延时单元(ccdl)1的输出端out1连接电流控制延时单元(ccdl)2的输入端in1，电流控制延时单元(ccdl)1的输出端out2连接电流控制延时单元(ccdl)2的输入端in2；电流控制延时单元(ccdl)2的电流控制端连接id；电流控制延时单元(ccdl)1的两个输出端out1、out2分别连接第一单脉冲产生器的输入端和第四单脉冲产生器的输入端；电流控制延时单元(ccdl)2的两个输出端out1、out2分别连接第二单脉冲产生器的输入端和第三单脉冲产生器的输入端；第一至第四单脉冲产生器的输出端分别输出脉冲信号pra、pfa、pfb、prb，pra和pfa连接第一sr锁存器的输入端，第一sr锁存器的输出端输出功率管栅极信号vgna；pfb和prb连接第二sr锁存器的输入端，第二sr锁存器的输出端输出功率管栅极信号vgnb。

电流控制延时单元(ccdl)1，通过电流电流ion控制输出信号相对于两个输入差分时钟的延时，即控制对应功率管的导通时刻。电流控制延时单元(ccdl)2，通过电流电流id控制电流控制延时单元(ccdl)2的两个输出相对于电流控制延时单元(ccdl)1的两个输出的延时，即控制对应功率管的关闭时刻。

本发明提出的栅信号产生器中电流控制延时单元(ccdl)的结构如图5所示。mn1、mn2和mn4组成电流镜。mn2和mn4镜像流过mn1的输入电流ion(id)。电流控制延时单元通过控制输入电流ion(id)的大小，就可以控制电容cp1和cp2的放电速度。当电容器上的电压下降到一定程度时，输出out翻转。电流大小不同，放电速度不同，延迟时间不同，如图6所示。

本发明提出的电流控制器的结构如图7所示。电流控制器由依次连接的电平转换电路、比较器cmp1和cmp2、逻辑控制电路、开关电流积分器、电压电流转换器和电流减法器组成。电平转换电路将采样到的电压von(vd)转换为较高的电压von_s(vd_s)，并提供两个参考电压von_h，von_l(vd_h，vd_l)。von_h和von_l在电平转换电路的输入端等效地引入了一个(vos-～0)的电压窗口，其中vos-<0。比较器cmp1和cmp2比较von_s和两个参考电压von_h、von_l的大小，等效于比较von和vos-，0的大小。cmp1和cmp2输出产生数字码控制开关电流积分器中开关sinj和sext的导通和关断，从而调节vr_on的大小。通过电压、电流转换器和电流减法器，vr_on的变化就可以调节输出电流ion的大小。图8是电流控制器中关键节点的波形示意图。

本发明提出的延迟控制器通过电流控制延时来产生功率管的栅极信号，从而避免了传统的基于比较器的有源整流器的多重脉冲问题。由于采用负反馈技术，基于延迟控制器的有源整流器的导通角能在不引入反向漏电流的情况下达到最大的占空比，有源整流器的启动和稳定后的仿真波形如图9所示。由于延迟控制器的功耗远小于传统的有源整流器中比较器的功耗，进一步地提升了有源整流器的转换效率，尤其是轻负载下的效率，最大的占空比能够降低有源整流器的导通损耗，提升有源整流器的转换效率，有源整流器的转换效率随负载电阻和输入幅度的变化关系如图10所示。另外，延迟控制器内部的负反馈机制使得有源整流器具有很好的抵抗工艺变化的能力，具有强的工艺鲁棒性。如图11所示，在带有失配模型的20次的蒙特卡洛仿真中，有源整流器都能在不引入反向漏电的情况下，实现导通角的最大化，有效地提升了有源整流器的可靠性。本发明所设计的有源整流器的性能如表1所示：

表1