关键词： 微控制器   低压差线性稳压器   低静态电流   电源管理  

摘要： 降低能耗以延长电池使用寿命,是现代生活中普遍存在的便携式设备的重要需求之一,尤其针对包括智能手机、可穿戴设备、植入式医疗、以及智能物联网硬件模块等在内的远程或电池供电无线设备。而电源管理集成电路作为当今电子系统中最基本的组件,能够为电池供电设备中的核心MCU（Microcontroller Unit）提供所需电源轨与能源间的转换。由于MCU所需的节能特性,电源管理集成电路也需要更具高能效和高集成度的系统级解决方案。通过以片上低压差线性稳压器LDO（Low Dropout Linear Regulator）为核心构建的MCU电源管理系统,能够满足低功耗、易集成、快速响应与高电源电压抑制等性能需求。本文针对MCU实际应用情况,将LDO系统分为休眠与工作两种模式,并分别采用不同结构的LDO实现。其中休眠模式下采用工作在亚阈区的NMOS型两级架构LDO来提供1.1V电压输出,3V电压下静态电流为85.6n A,负载能力为100μA。该LDO在MCU休眠模式下,为其内部实时时钟和部分存储器提供工作电压,以保证MCU的实时唤醒能力;工作模式下采用PMOS型的三级架构LDO并输出1.2V电压,最大负载能力为30m A,3V电压下过冲与下冲电压均小于300m V,同时电压恢复稳定时间小于5μs。该模式下主要为MCU内部数字内核、内外部高速振荡器、各类存储器、I/O接口以及相关外设等供电。基于0.18μm的CMOS工艺设计了LDO电路系统,针对内部子模块以及整体分别进行了设计与仿真验证。为了提升系统的适用范围与灵活性,LDO系统还包含了如带隙基准、上电/掉电复位、过温保护、过流保护等其它电路模块。内部带隙基准模块可提供温度系数小于30ppm/~oC的0.9V基准电压并引入电压绝对值与分段补偿修调模块,该基准同时能够对MCU内部提供基准电流。LDO系统工作电压范围为1.8V～3.6V,上电复位与掉电复位阈值分别为1.76V与1.68V。系统休眠模式下输出电压为1.1V,静态电流为254n A;工作模式下输出电压为1.2V,静态电流为129.4μA。在整体瞬态仿真中,LDO系统在快（慢）上电过程中均能正常工作并输出稳定电压,同时在工作模式与休眠模式间进行切换直到输出电压稳定所需时间均小于50μs。该LDO系统能够满足初始设计指标,在MCU不同使用需求过程中能够迅速完成模式切换并进一步降低休眠模式功耗以提升电池使用寿命。

关键词： 水下油气开采   全电式水下闸阀执行器   低功耗保持机构   保持力  

摘要： 在水下油气开采领域，水下生产系统的应用最为广泛，随着水深的增加以及传输距离的变长，全电式水下生产系统将逐渐取代传统的电液复合式。作为系统的最终执行单元，全电式水下闸阀执行器通过控制生产管路的通断，实现对水下油气的开采。我国在这个领域的技术尚不成熟，与发达国家存在一定的差距，开展对全电式水下闸阀执行器相关技术的研究，对于填补我国在水下油气开采领域的空白具有深远的影响。　　本文依据课题的设计指标与水下设备的实际工作环境，完成了闸阀执行器的总体方案设计。针对执行器需要具备的功能，设计了一种阀门位置可视化的位置指示机构;提出了一种将复位弹簧作为储能元件的失效-安全关断机构;为了满足闸阀执行器长期开启的需求，设计了一种低功耗保持机构，该机构以电磁铁作为驱动元件，通过螺旋传动与凸轮传动将电磁铁的驱动力转化为闸阀执行器的保持力。针对执行器电气系统的控制驱动原理，确定了控制系统与驱动系统的元件组成。　　针对本文闸阀的结构，分析闸阀启闭时阀杆受到的静载荷。以动量定理为基础，结合孔口流动的伯努利方程以及连续性方程，对稳态液动力与瞬态液动力的理论值进行分析。得到了执行器驱动闸阀时需要提供的开启力与关闭力，并以此为基础设计了复位弹簧以及驱动机构的螺纹副，确定了驱动电机与减速器的型号;设计了一种基于阻尼孔的自循环式缓冲机构，基于微元的思想，确定了满足设计指标的最佳阻尼孔直径。　　依据结构设计的结果，分析执行器低功耗保持机构的性能。首先建立其载荷模型与运动模型，得出性能评价指标与设计参数之间的关系。然后基于Morris筛选法，并结合数学软件对设计参数的影响规律与敏感度进行分析，结合优化模型与执行器尺寸的限制，确定了机构的最优设计参数。最后对加工误差的影响进行研究，利用蒙特卡洛法对其进行统计分析，得出机构在确定的设计参数与加工误差下的性能分布范围。　　根据水下设备实际的工作环境，搭建出一套相应的测试系统，针对执行器各机构所对应的各项关键功能，对研制的工程样机进行试验，验证了电气系统的监测功能与冗余功能，以及机械系统的冗余驱动、失效安全关断和阀门位置指示功能，并且，本文研制的闸阀执行器能够以一个很低的功率维持阀门长期开启，具备低功耗保持功能。

关键词： 涡街流量计   自动增益控制   自适应带通滤波   MSP430   快速傅里叶变换   卡尔曼滤波  

摘要： 涡街流量计因其精度高,压力损失小,在流量测量中扮演重要角色。由于涡街流量仪表需要在石化、冶金等艰苦工业环境中工作,需要仪表长时间稳定工作,对其功耗指标要求较高。在低频段、多管径、强干扰等信号强度较低,干扰相对较强的较为恶劣工况环境下,对其信号提取,采集,计量的准确性要求高。本文依据企业需求,从降低功耗、提升系统智能化,扩展应用覆盖面考虑,研究设计一款指标达标,测量准确,精度高、量程范围宽、环境适应能力强的低功耗智能涡街流量计样机。硬件以内置了低功耗硬核快速傅里叶变换(FFT)乘法器的MSP430系列单片机为主控制核心,对压电式涡街传感器输出的微弱信号进行自动增益控制和自适应带通滤波调节,从而得到信噪比较好的稳定模拟信号;对模拟信号数字化采集、运算和计量,得到与实际流量相关的稳定脉冲信号。为克服电磁信号干扰和机械振动影响,扩展仪表应用场景、提升复杂环境下的适应能力,提高系统的综合测量精度,在软件算法上,以FFT算法为辅,在频域快速扫描得到信号强度、频率特征,自适应动态调整电路参数,在多口径、宽量程、不同信号特征的情况下可以明显增强计量的准确性。并探索使用二维卡尔曼滤波算法,对涡街流量计抗瞬态强冲击实际数据做了抑制测试,结果有效。研制涡街流量计样机,并完成其测量验证。本设计具有低功耗、智能化特征,满足设计指标和企业需求,实现精确计量。现场测试结果表明:涡街流量计样机运行稳定,相对示值误差、重复性误差均符合国家标准《JJG1029-2007涡街流量计检定规程》中1级表指标要求,在工业环境下多口径水气介质的涡街流量测量中具有广泛的适用性。

关键词： 金属氧化物纳米纤维   阳离子比例调控   场效应晶体管   性能调控   低功耗  

摘要： 人工智能涵盖信息技术、仿生学、神经生理学、材料学、计算机科学等众多学科。在新一轮科技浪潮的驱动下,人工智能在很多领域不断落地应用,开发高性能存算硬件模块是目前学术界和工业界广泛关注的热点。光电子器件是人工智能集成电路的基本组成元件。场效应晶体管(FET)是一种通过电压控制输出电流的元器件,由于其制备工艺简单、噪音小且输入阻抗高等优点在模拟开关电路和各种放大器中获得了广泛应用。基于FET结构的光电探测器可以代替人眼,有效地解决人眼识别光谱范围窄的问题,在军事和民用各个领域都有广泛的应用。另外,受生物启发的神经形态晶体管由于具有同步接收和读取刺激、优越的突触权重可塑性、人工突触与神经元的协整等特征,近十年内在智能感知等领域取得突飞猛进的发展。宽带隙金属氧化物半导体由于成分可调、低成本以及优越的光电特性是FET、光电探测器、神经形态晶体管等光电子器件沟道材料的理想选择。在集成电路亟待解决的问题中,器件性能的提高、功耗有效的降低是至关重要的。本工作针对以上科学问题通过简单地调节In Zn O有源层中金属阳离子的比例来提高器件的光电学性能并降低器件功耗,具体研究内容如下:(1)本工作系统地研究了In和Zn的比例对InZnO(x=0.6、0.7、0.8)纳米纤维FET电学性能的影响规律。当InZnO纳米纤维(0.6≤x≤0.7)在500 C退火时表面形成了非晶层(厚度约为8-10 nm)覆盖的新型结构纳米纤维,该结构极大地提高了器件在空气中的稳定性。此外,实验发现表面覆盖非晶层的InZnO光电晶体管具有最大的光暗电流比,优异的载流子迁移率及较好的响应度。以上结果表明三元InZnO氧化物纳米纤维在光电子器件领域具有较大的应用潜力。(2)在本工作中首次系统地研究了低成本静电纺丝技术制备的InZnO(x=0.6、0.7、0.8、0.9)纳米纤维突触晶体管(NFNTs)。结果表明,InZnO NFNTs展示了最低的兴奋性突触后电流和双脉冲易化等短期突触可塑性,为低功耗操作和突触可塑性功能模拟提供电学方面的效益。本实验推断InZnO NFNTs优异的突触性能主要是以下两种原因造成的:1)x射线光电子能谱测量表明,随着Zn含量的增加,氧空位含量降低,导致自由载流子浓度降低,EPSC幅值降低;2)x射线衍射显示,导电性较好的InO菱形六面体相随着Zn含量的增加逐渐占主导地位。以上结果表明,有源层纳米纤维成分的合理调整为构筑高性能、低功率NFNTs打开了大门。

关键词： 无线传感节点   低功耗   温差发电   LoRa   STM32  

摘要： 无线传感节点是物联网和工业互联网的重要基础,已广泛用于工业、农业、国防等领域的状态参数监测。目前,无线传感节点主要采用电池方式进行供电,但电池供电寿命有限,需要定期检查与更换,不仅增加了成本,而且大量废旧电池会严重污染环境。为此,降低无线传感节点的功耗不仅可以延长电池使用寿命,还可以通过收集环境能量实现自供电,这对于提升无线传感节点的长期运行能力和部署范围具有重要的理论意义和应用价值。针对无线传感节点采集和传输过程中数据功耗大的问题,本项目从软硬件协同设计的角度降低无线传感节点各个功能模块的功耗,并采用温差发电技术实现其自供电,开展了LoRa传感节点软硬件低功耗设计、温差发电电路设计等研究。论文的主要工作包括:1、以振动与温度数据采集为对象,以STM32L475VET6为主控制器,阐述了低功耗LoRa传感节点的整体设计思路,分析了LoRa传感节点功耗的主要组成,选用温差发电方式来实现其自供电。2、针对LoRa传感节点功耗大的问题,在硬件上通过对比分析选用了低功耗的传感器、主控制器和LoRa模块等关键部件,优化工作电压降低传感器的功耗,并采用自动触发供电开关来降低LoRa传感节点的待机功耗。3、为了进一步降低LoRa传感节点的功耗,在软件上对其每个功能模块开展低功耗设计研究,包括主控制器采用24MHz低频运行方式、温度传感器采集数据后进入休眠模式、加速度传感器采用低功率模式等,且整个LoRa传感节点采用间歇性工作模式,即发送数据后进入休眠模式,等待下一次唤醒,明显降低了LoRa传感节点的待机功耗。4、为了提高温差发电的输出功率,设计了一种最大功率点追踪电路,并对其主要元器件参数开展了优化设计,使得其能持续输出最大功率,并采用芯片BQ25504实现对LoRa传感节点的供电管理。5、分别研制了振动与温度LoRa传感节点和温差发电的原理样机,搭建了温差发电实验系统和轴承全寿命状态监测实验台,测试了温差发电的输出电能和LoRa传感节点的平均功耗,结果表明该节点的平均能量为0.055729J、温差发电的输出能量为0.077J,从而验证了实现该节点自供电的可行性。

关键词： 全电式水下闸阀执行器   液动力   低功耗保持机构   蒙特卡洛法  

摘要： 在水下油气开采领域,水下生产系统的应用最为广泛,随着水深的增加以及传输距离的变长,全电式水下生产系统将逐渐取代传统的电液复合式。作为系统的最终执行单元,全电式水下闸阀执行器通过控制生产管路的通断,实现对水下油气的开采。我国在这个领域的技术尚不成熟,与发达国家存在一定的差距,开展对全电式水下闸阀执行器相关技术的研究,对于填补我国在水下油气开采领域的空白具有深远的影响。本文依据课题的设计指标与水下设备的实际工作环境,完成了闸阀执行器的总体方案设计。针对执行器需要具备的功能,设计了一种阀门位置可视化的位置指示机构;提出了一种将复位弹簧作为储能元件的失效-安全关断机构;为了满足闸阀执行器长期开启的需求,设计了一种低功耗保持机构,该机构以电磁铁作为驱动元件,通过螺旋传动与凸轮传动将电磁铁的驱动力转化为闸阀执行器的保持力。针对执行器电气系统的控制驱动原理,确定了控制系统与驱动系统的元件组成。针对本文闸阀的结构,分析闸阀启闭时阀杆受到的静载荷。以动量定理为基础,结合孔口流动的伯努利方程以及连续性方程,对稳态液动力与瞬态液动力的理论值进行分析。得到了执行器驱动闸阀时需要提供的开启力与关闭力,并以此为基础设计了复位弹簧以及驱动机构的螺纹副,确定了驱动电机与减速器的型号;设计了一种基于阻尼孔的自循环式缓冲机构,基于微元的思想,确定了满足设计指标的最佳阻尼孔直径。依据结构设计的结果,分析执行器低功耗保持机构的性能。首先建立其载荷模型与运动模型,得出性能评价指标与设计参数之间的关系。然后基于Morris筛选法,并结合数学软件对设计参数的影响规律与敏感度进行分析,结合优化模型与执行器尺寸的限制,确定了机构的最优设计参数。最后对加工误差的影响进行研究,利用蒙特卡洛法对其进行统计分析,得出机构在确定的设计参数与加工误差下的性能分布范围。根据水下设备实际的工作环境,搭建出一套相应的测试系统,针对执行器各机构所对应的各项关键功能,对研制的工程样机进行试验,验证了电气系统的监测功能与冗余功能,以及机械系统的冗余驱动、失效安全关断和阀门位置指示功能,并且,本文研制的闸阀执行器能够以一个很低的功率维持阀门长期开启,具备低功耗保持功能。

关键词： 逐次逼近型   低功耗   异步   浮动反相放大器   高速   分段式  

摘要： 科学技术飞速发展的今天,如智能手表、智能手机、智能手环等各种新兴电子便携式设备逐渐进入人们的生活。作为这些便携式设备中的重要部分,模数转换器的性能显得格外重要。基于对便携性以及高性能的需求,模数转换器需要实现更高分辨率和速度以及更低的功耗和更小的面积。在所有类型的模数转换器中,SAR(Successive Approximation Register)ADC(Analog to Digital Converter)由于其结构简单且适用于便携式设备所要求的高速以及低功耗场合被广泛研究。本文结合便携式设备高速以及低功耗的设计需求,研究和设计了一个12位20MS/s的异步SAR ADC。论文设计的SAR ADC整体采用差分结构,采用栅压自举开关作为采样开关以减小非线性;通过使用分段式电容性数模转换器以减小电路整体面积与电容阵列总容值,并使用基于共模电压的开关切换策略与下极板采样;采用了FIA比较器,通过利用储能电容来代替电源供能的浮动反相放大器作为预放大级以及采用Strong-Arm结构的锁存器作输出来减小功耗并提高比较速度,同时对多级FIA比较器的噪声进行了分析;选取异步时序逻辑作为SAR的整体时钟逻辑;运用了一种基于最小二乘法的数字前台校准算法以校准电容失配;对CDAC的版图采用棋盘式布局,分析并减小非理想因素对电路整体性能的影响。本文提出了两种设计,采用一级FIA比较器的设计I与采用二级FIA比较器的设计II,二者都采用TSMC 180nm CMOS工艺,设计II芯片核心面积为0.212mm。在1.8V的电源电压下,带有瞬态噪声的系统后仿真结果显示,设计I电路总功耗为1.9m W,信噪失真比为69.31d B,而有效位数为11.21bit,实现了166.5d B的Schreier优值;而设计II电路总功耗为2.1m W,信噪失真比为70.31d B,而有效位数为11.39bit,实现了167.1d B的Schreier品质因数。

关键词： 模数转化器   低功耗   运放共享   无采样保持运放   行为建模  

摘要： 本篇论文以无刷直流电机作为应用背景,而无刷电机稳定工作需用数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）来控制,而作为DSP中的交互桥梁——模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）,其设计至关重要。本文设计了一款12位混合结构的流水线ADC,并在ADC前端加了可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier,PGA）以提升精度。本文的主要工作包括: （1）调查研究了流水线ADC的国内外发展情况,概述了流水线ADC的工作原理,并且还分析了流水线ADC的误差来源。 （2）分析了ADC的功耗来源并从系统和电路两方面着手降低功耗,在系统层次上,缩减采样电容并将流水线ADC级数进行最优化;在电路层次上,移除采样保持电路以及相邻流水级共用一个运放,但会带来输入范围变小、孔径误差、输出冲突以及量化出错等问题,通过改进比较器结构、匹配两条信号路径、增加共享开关以及采用subranged SAR结构来解决上述问题,最后还对流水线ADC系统建模以指导电路设计。 （3）设计了一个PGA以提升ADC的精度,较原来的ADC精度,最小可分辨精度从0.8 m V变为0.03 m V,实现了16位ADC的精度。 （4）完成了ADC信号处理模块的设计,包括电路和版图设计,最后还参与了所负责模块的流片测试。 基于SMIC 40 nm工艺流片,整个ADC信号处理模块面积为1.42 mm,其中PGA模块面积为0.19 mm×0.08 mm,ADC模块面积为1.3 mm×1.08 mm。测试结果表明:3.3 V电源供电下,5.714 MS/s采样率时,无杂散动态范围为84.26 d B,信噪失真比为67.60 d B,模块功耗为45.54 m W,符合低功耗和设计指标要求。