关键词： 导线舞动   网络RTK   LoRa通信   松耦合   低功耗  

摘要： 导线舞动是输电线路受天气条件和自身参数影响下产生的一种极具破坏性的自激运动,是引发电力输电基础设施安全事故的重要成因之一,也是目前电力部门最为关注的监测内容。近年来,我国输电线路建设速度越来越快,电网的自动化在线监测体系也初具规模。然而,由于输电线路现场复杂的电磁干扰和苛刻的现场应用条件,导致现有的舞动在线监测方法在实际应用过程中存在定位精度不稳定、监测内容覆盖不全、通信不可靠、功耗开销大等问题。针对上述问题,本文设计了一种多传感器和RTK组合定位导线舞动在线监测装置,在保障低功耗长期稳定在线监测基础上,实现了导线状态的高精度测量和监测内容全覆盖。 本文主要的研究和设计内容如下: (1)从舞动状态监测系统整体性设计入手,对高精度组合定位方法与应用、现场组网通信、数据联动性、系统低功耗四个方面进行了研究和论述。本文采用多对一的分布式监测方法,通过网络RTK和IMU松耦合组合定位来实现舞动状态的高精度测量,通过Lo Ra通信自组网实现多个监测节点到同一网关的组网通信。针对现场Lo Ra通信数据碰撞问题,设计了基于信道CAD码判别的防拥塞碰撞机制,同时完成了系统的数据联动性设计和低功耗设计。 (2)研究了网络RTK的应用架构和通信交互流程,针对网络RTK交互过程中涉及复杂的协议转换和Ntrip Source确定耗时长的问题,设计了一种快速VRS改正数交互方式,并基于千寻CORS地基增强系统完成了网络RTK的实际工程应用。舞动应用现场受强电磁环境影响,导致卫星信号接收存在干扰,IMU测量存在误差累积,同时考虑导线不同运动状态对组合定位平稳性影响,本文设计了一种频率自适应的松耦合组合定位方法,通过原始加速度大小来动态调节卡尔曼滤波的更新时间和INS测算时间,实现不同运动状态下的定位精度均衡。 (3)完成了系统的软硬件设计,在整体性设计基础上考虑从低功耗、高精度等方面对装置进行各模块电路设计和软件的多模式设计。完成了对设计装置的功能性和稳定性测试,并在国家电网示范项目中得到推广及应用。 本文设计的多传感器和RTK组合定位的导线舞动监测系统,同时实现对导线温度、弧垂高度、运动轨迹及特征量监测内容的全覆盖,采用频率自适应的松耦合定位实现了稳定的厘米级动态定位测量,装置通过合理的低功耗设计可保证长期有效在线运行,在实际工程应用中具有广阔的前景。

关键词： 流水线逐次逼近型模数转换器   高速   低功耗   开环放大器  

摘要： 在高速传输的以太网系统中,需要采用高速中高精度的模数转换器(Analog-toDigital Converter,ADC),随着高速以太网芯片被广泛应用在嵌入式系统、基站等领域,也需要ADC具有低功耗的优势。为了满足高采样率和低功耗等要求,流水线逐次逼近型模数转换器(Pipelined-SAR ADC)以其兼顾速度与功耗的结构特点逐渐成为当前研究热点。 针对高速以太网的应用场景,论文设计了一款12bit 320MS/s的单通道两级Pipelined-SAR ADC,第一级SAR ADC采用2bit/cycle结构,实现8位量化以减少转换周期,第二级量化6位并包含2位的级间冗余以容忍第一级的失调。第一级SIG-DAC采用分裂式单调切换开关方法进行余量电压切换以满足比较器的输入共模电压恒定,REF-DAC用来生成多个比较器的参考电压;为了提高采样线性度,在栅压自举开关中添加了Dummy器件以消除馈通效应;为了减小比较器失调,设计了基于电荷共享的前台失调校准电路对三个比较器进行失调校准。级间放大器采用一个8倍增益的高线性度Gm-R型开环放大器代替传统的闭环放大器以实现低功耗的设计,并通过两级级联形式以减小放大器的输入寄生电容;为了降低在不同温度下放大器的增益变化,设计了基于温度补偿的增益校准方案来实现增益校正。 论文基于40nm CMOS工艺,设计了电路与版图。后仿真结果表明,在1.1V电源电压,320MS/s采样率,奈奎斯特频率输入时有效位数(ENOB)可以达到11.2bit,无杂散动态范围(SFDR)为77.3dBc,功耗为4.7mW,满足了设计指标。

关键词： AMR效应   磁开关   低功耗   高精度  

摘要： 磁传感器具有抗振动、抗噪声能力强,灵敏度高等特点,在现代人类的生产生活中应用广泛。磁开关是磁传感器中重要的一员,它通过磁信号进行开关控制的元器件,在各类非接触式控制系统中发挥着重要作用。本文基于某代工厂0.18μm的BCD工艺和AMR惠斯通电桥的磁特性,设计完成了一款基于AMR的低功耗磁开关芯片,其可以感应外部磁场的变化,将磁信号转换为电信号,通过电路将此信号的电位与设定的阈值电压进行比较,以OpenDrain的方式输出。本文主要围绕磁场的低功耗和高精度检测,做了以下几个方面的研究工作:1、研究AMR效应和基于AMR效应的惠斯通电桥的工作原理,并对相关关键参数作了详尽的数学推导。结合目前业界主流的磁开关芯片架构和相关性能参数,从磁场的低功耗和高精度检测出发,提出了本文所设计的芯片指标参数和芯片设计方案。2、为实现外界磁场的低功耗检测,本文设计的磁开关芯片通过低功耗时钟和定时器的使能控制,芯片周期性唤醒-睡眠工作:唤醒状态下芯片内部各电路模块使能工作,检测外界磁场,将磁场检测结果刷新并发送到OUT管脚;睡眠状态下各电路模块关闭,仅内置低功耗时钟和定时器工作。3、为实现外界磁场的高精度检测,设计完成温度补偿方案和AMR惠斯通电桥失调电压校准方案,消除AMR惠斯通电桥非理想因素的干扰。4、利用Cadence平台对各重要子模块电路进行设计和仿真。详细介绍了包括低功耗时钟电路、定时器、低失调比较器、阈值参考电路、过温保护电路以及欠压保护电路的工作原理、设计过程和仿真结果。5、完成芯片整体仿真和版图绘制,仿真结果表明所设计的磁开关典型工作周期(25ms)下平均电流为0.5μA,最快工作周期(250μs)下平均电流为14.1μA,失调电压校准后残余偏差为40μV,电路的磁场检测精度误差最大不超过6.5%,与国外同类磁开关产品的对比,在功耗、速度方面优势明显。芯片整体版图面积为600μm×580μm。

关键词： JAVA语言  

ISBN: (纸本)9787519883416

摘要： 本书作者讨论了构建多线程应用的两种方法：一种是使用消息传递，另一种是使用共享内存。读者将学习实现每种方法的API，包括根据情况进行选择，以及何时可以结合使用它们。

关键词： 锁相环   频率综合器   压控振荡器   分频器   相位噪声  

摘要： 近年来,蓝牙技术发展迅速,其应用场合遍及人们的衣食住行。锁相环作为蓝牙射频收发机的本振信号生成电路模块,它的性能对蓝牙射频芯片的质量有着重要影响。因此,本文基于55nm CMOS工艺,设计了一款应用于车载蓝牙的低功耗、低相位噪声电荷泵锁相环。 论文对构成锁相环的关键模块进行了研究和设计,主要包括压控振荡器、高速二分频电路、多模分频器、鉴频鉴相器和电荷泵等。其中,压控振荡器采用了互补交叉耦合LC振荡器结构,具有低功耗的优点;5bit二进制开关电容阵列和变容管组合使用,增大了振荡器的调频范围,提高了不同PVT下锁相环工作的稳定性;同时,通过跨导线性化技术、电流源噪声滤波技术、变容管交流耦合结构以及各元件参数的仔细选取,压控振荡器相位噪声得到了显著的优化。分频器模块分别采用了C2MOS结构和2/3分频器级联结构作为预分频和多模分频器,多模分频器实现了64～95的分频比,具有高速、低功耗的特点。接着本文分别介绍了无死区现象的三态鉴频鉴相器、低失配电流的源级开关电荷泵、低参考杂散的三阶Sigma-Delta调制器和辅助锁定的锁定探测器。最后,本文采用55nm CMOS工艺对所设计的锁相环进行版图布局布线,完成了锁相环系统行为级仿真和晶体管级后仿真,并且进行了流片和测试。 锁相环核心芯片尺寸为0.15mm2,1.2V电源电压下,锁相环系统直流功耗为2.65m W,锁定时间约为65μs。测得可调谐的频率范围覆盖2.33～2.74GHz,当锁定在蓝牙两倍频4.88GHz时,100k Hz和1MHz频偏处相噪分别为-76.23d Bc/Hz和-99.16d Bc/Hz,参考杂散和小数杂散分别为-38.9d Bc和-52.1d Bc。

关键词： 逐次逼近寄存器型模数转换器   高速   低功耗  

摘要： 随着过去几十年集成电路产业的飞速发展,集成电路的性能越来越强大,集成度越来越高。数字集成电路逐渐融入到军事、航天、医疗、制造等许多领域,在这些领域中发挥着至关重要的作用。现实世界中能够接触到的信号都是模拟信号,这些现实中的信号必须通过模数转换器（ADC）转换成数字信号才能被数字系统处理。模数转换器的性能决定了进入数字系统的信号质量,高性能的数字系统需要性能更好的模数转换器,在精度、速度以及功耗方面对模数转换器提出了更高的要求。高度数字化的逐次逼近型ADC（SAR ADC）凭借其结构简单、性能高、功耗低等特点,在先进工艺的加持下能够在中等分辨率下实现数百MS/s的采样率,成为了学术界和工业界的研究热点。高性能ADC通常是一个复杂的大型系统,系统中包含许多子ADC,子ADC的性能很大程度上影响了系统能够实现的性能上限。这些大型系统通常需要子ADC具有中等分辨率,而中等分辨率正是SAR ADC能效最好的区间。本文主要针对高速低功耗SAR ADC进行了研究,详细研究了采样电路、比较器、电容阵列以及SAR逻辑这四个主要模块的关键技术,分析了这些技术的优点与不足。本文基于这些关键技术,在28nm工艺下采用1V电源电压设计并实现了一款7位高速低功耗SAR ADC,完成了原理图设计、版图设计以及后仿真。后仿真结果表明,该ADC在1.25GS/s采样率和接近奈奎斯特频率的输入信号条件下,实现了42.6d B的SNDR和62.8d B的SFDR,有效位数6.79位,整体功耗1.92m W,品质因素Fo MW为13.9f J/conv-step。

关键词： NOR Flash   字线驱动器   电荷泵   低纹波   低功耗   待机恢复电路  

摘要： 近年来,NOR Flash存储器得益于其较低的待机功耗、较快的读取速度以及较高的可靠性而被广泛应用于手机屏显、汽车电子、智能家居以及可穿戴电子设备中。字线驱动器作为NOR Flash存储器中的关键模块,用于产生高压使得存储器能完成读、写和擦的操作。电荷泵因具有成本低、体积小、操作简单且可实现完全地片上集成等优势而成为字线驱动器中产生高压的主要实现形式。 然而,电荷泵系统中存在很多非理想因素会恶化字线驱动器的性能从而无法满足NOR Flash的应用需求。首先,在工作模式下选定的字线上产生过大纹波和过冲电压会降低存储器各项操作的可靠性;其次,对于大多数便携式电子设备来说,功耗是需要被关注的重要性能之一,由于NOR Flash长期处于待机模式,待机模式下电荷泵系统较大的待机功耗会缩短供电电池的续航时间;最后,由于NOR Flash具有较快的随机读取速度,所以当字线驱动器从待机模式恢复至工作模式时被期望获得非常短的建立时间,但模式切换瞬间在输出节点产生的非理想瞬态波形会造成建立时间的损失。基于上述问题,本论文的主要工作和创新点如下: 1、在工作模式下,针对电源电压要求范围较宽（1.5V2.1V）问题,提出了一种可变级数和可变频率的电荷泵系统来抑制字线电压的纹波和过冲。 2、在待机模式下,对待机电荷泵系统的电流消耗来源进行了分析,对常用低功耗技术进行了研究并分别对直流电流和交流电流消耗进行了优化。 3、对从待机模式恢复到工作模式输出节点产生非理想瞬态波形的原因进行了分析,并提出了一个有效的待机恢复管理电路来减小模式恢复的建立时间。 整个字线驱动系统采用SMIC 55nm 1P9M CMOS工艺设计,核心面积为0.38mm2。后仿真结果显示,当电源电压为1.8V,负载电容为3p F时,工作模式下的输出电压为5.87V,电压纹波为3m V,电流消耗为1.26m A;待机模式下的平均电流消耗为0.89μA,从待机模式恢复至工作模式的建立时间为13.7ns。

关键词： RC-IGBT   超结   电压回跳   超低功耗  

摘要： IGBT结合了BJT和MOSFET的优点,具有较高的工作频率和较低的导通压降。但是在使用中通常要与续流二极管并联,片外集成的IGBT和续流二极管模块存在寄生效应、可靠性等问题。为解决此类问题,研究者们提出了将IGBT和续流二极管单片集成的Con-RC-IGBT器件,然而Con-RC-IGBT存在固有的电压回跳现象,限制了其应用。且Con-RC-IGBT在关断期间,拖尾电流过大,增加了器件的动态功耗。本文围绕如何解决RC-IGBT器件的电压回跳和关断功耗问题进行研究,并利用Sentaurus TCAD仿真软件进行优化与验证。 首先,针对Con-RC-IGBT的基本动静态特性进行了仿真分析,分析了Con-RCIGBT和FS-IGBT的导通和耐压机理,重点分析了Con-RC-IGBT产生电压回跳现象的原因,讨论了FS层厚度、掺杂浓度和N+集电极长度对电压回跳现象的影响。介绍了本文采用的动态仿真电路,给出了基于TCAD仿真软件的Con-RC-IGBT的关断特性和反向恢复特性仿真结果。 其次,提出了一种具有集电极侧槽的超结RC-IGBT(CST-RC-IGBT),该结构漂移区采用超结结构,利用电荷补偿效应,优化了耐压与导通损耗之间的折衷限制,在相同漂移区厚度下,提高了击穿电压的同时降低了导通功耗。同时通过集电极侧槽将N+短路区和P+集电区物理隔离,P柱在N+短路区上方,N柱在P+集电区上方,避免了器件在导通初期工作在MOS模式下,当集电极偏压大于PN结内建电势差时,CSTRC-IGBT直接导通工作在IGBT模式下,完全消除了电压回跳现象。器件关断时,超结的P/N柱之间横向耗尽,集电极侧槽辅助耗尽集电极侧剩余少子,关断时间大大减小,从而将动态功耗降低了56%。CST-RC-IGBT具有比Con-RC-IGBT更优的导通压降和关断损耗的折衷曲线。 再次,在CST-RC-IGBT的基础上,提出了具有集电极侧肖特基结的RC-IGBT(SCRC-IGBT),SC-RC-IGBT将集电极侧N+短路区部分替换为肖特基结构二极管,同时在超结底部增加了N+FS层,作为逆向导通的续流二极管中载流子的补充。利用了肖特基二极管的快速关断特性,进一步提高了器件的关断速度,降低拖尾电流,从而大大降低了关断功耗,其关断功耗相比于Con-RC-IGBT下降了62.2%,相比于CST-RCIGBT降低了14.1%,具有更低的动态功耗。SC-RC-IGBT同样完全消除了电压回跳现象,由于集电极侧肖特基结和漂移区超结的存在,集电极电压小于PN结导通电压时,器件不导通,大于PN结导通电压后,SC-RC-IGBT同样直接导通工作在IGBT模式下,不会发生MOS模式到IGBT模式转变的电压回跳过程。 最后,针对SC-RC-IGBT提出了一种终端结构,该结构选用深槽终端结构,将阻断状态下电场线全部截断在深槽内,击穿电压接近SC-RC-IGBT的击穿电压,保证了击穿发生在元胞区内。

关键词： 低功耗   单电感多输出   能量暂存   自动升降压   瞬态改善  

摘要： 物联网应用中电源管理芯片的发展趋势为更低功耗;更小电路板面积;更高密度模拟整合。自动升降压单电感多输出结构(Single Inductor Multiple Output)可以只用一个电感有效整合多个输出电源,减小PCB面积,是电源管理研究的热门方向。瞬态响应和交叉调制是单电感多输出设计的难点,既往的研究通过输出电容电流校准、多相结构或串并联LDO(Low Dropout Regulator)提升瞬态响应。这些方案可以有效提升瞬态性能,但功耗较高,不适用于低功耗应用。本文提出了一种具有能量暂存通道的低功耗自动升降压单电感多输出DC-DC转换器,在低功耗应用中也可以提高负载瞬态响应。负载功率范围为500μW～1W,系统根据负载大小自动切换CCM(Continuous Conduction Mode)和LPM(Low Power Mode)降低功耗,提高工作效率,延长物联网应用的使用时间。能量暂存通道包含能量回收通道,快速充电回路和零点改善电路,输出电压低于设定阈值时开启快速充电回路给输出提供瞬态电流,减小欠过冲,同时零点改善电路给该通道PI控制的补偿电容补充电荷,维持系统的补偿零点频率不低于原DCDC控制环路中的补偿零点,减小响应时间。输出电压高于设定阈值时关闭相应通道,使能最后一条通道的独立占空比控制,将多余能量回收到能量暂存电容。同理,零点改善电路给该通道的PI补偿电容放电,减小响应时间。本论文提出的具有能量暂存通道的低功耗单电感多输出自动升降压转换器基于TSMC 0.18μm CMOS工艺进行电路设计,输入电压为2.1V,输出电压为1V～2.5V,最大输出功率1W,开关频率2MHz。输出欠过冲最大不超过设定阈值50m V,负载调整率小于0.25m V/m A,交叉调整率为0.05m V/m A。低功耗模式下静态电流9μA,系统峰值转换效率95.4%,负载为500μW时转换效率84%。

关键词： 电力杆塔形变在线监测   极限学习机   飞蛾火焰算法   反向学习   莱维飞行  

摘要： 因滑坡、飓风、人为采矿等因素,造成电力杆塔倾斜、倒塌的事故时有发生,带来巨大的经济损失,是电网安全的主要隐患之一。电力《DL/T 741-2010》规程规定50米以上高度电力杆塔倾斜度不得超过0.5%,需要对存在安全隐患的杆塔进行有效监测和隐患处理。现有的监测方式主要是利用倾角传感器对杆塔倾斜角度进行监测,无法监测杆塔沉降与滑移,并且无法对杆塔倾斜角度进行预测。针对上述问题,本文研制了一种北斗组合传感器的电力杆塔形变监测装置,提出了一种改进型飞蛾火焰(MFO)优化极限学习机(ELM)算法的电力杆塔倾斜预测方法,可以对电力杆塔实时监测并预测倾斜角度,并通过仿真实验验证了该方法的有效性。 本文主要研究内容和创新之处如下: (1)研制了一种北斗组合传感器的低功耗电力杆塔形变监测装置。通过对电力杆塔形变监测装置的需求与性能指标分析,设计了基于北斗与高精度传感器相结合的电力杆塔形变监测装置的架构,研制了硬件装置;同时为了确保装置在应用现场可以长期稳定运行,在嵌入式程序设计方面,优化了各模块的工作时序,实现了低功耗的设计目标。实际应用测试证明了该装置的有效性。 (2)提出了一种改进型MFO优化ELM算法的电力杆塔倾斜预测方法。将ELM神经网络与电力杆塔倾斜预测相结合,并且针对ELM神经网络输入权值的不确定性,采用改进型飞蛾火焰算法对ELM进行优化,同时,为了解决飞蛾火焰算法在寻优过程中出现的收敛速度慢、处理复杂问题时困在局部最优无法跳出的问题,在飞蛾火焰算法迭代寻优过程中,加入反向学习和莱维飞行机制,反向学习机制有效的加快了算法的收敛速度,而莱维飞行机制则有效的解决了算法易陷入局部最小值的问题。通过本文提出的算法与其他算法进行对比,仿真实验结果表明,本文方法具有更快的求解速度以及更高的预测精度。 本文针对电力杆塔监测困难、角度无法预测等问题,研制了一款电力杆塔形变监测装置用于杆塔实时监测,提出了一种电力杆塔倾斜预测方法来对杆塔倾斜角度进行预测,对后续杆塔监测工作的研究具有一定的参考价值。