关键词： 储能系统   非耗散型均衡   动态重构   开关电容  

摘要： 目前在电化学储能中广泛使用的电池和超级电容,均存在单体电压较低的特征,在实际应用中通常需要将多个单体串联成组。在串联型拓扑中,单体之间普遍存在的电压不均衡现象会影响整个储能系统的有效容量和使用寿命。本文旨在减小储能系统中存在的单体电压差异,研究快速低功耗均衡拓扑。开关电容均衡电路是广泛使用的均衡技术之一,其目前的研究重点在于提升均衡速度和减小均衡损耗。针对传统单飞渡和多飞渡电容式均衡电路存在的均衡速度和损耗问题,本文利用重构电路的可重新配置能力,分别设计了新型均衡电路,通过增加均衡路径提高了均衡速度和电能效率。主要研究内容如下:(1)传统单飞渡电容式均衡电路可以实现任意储能单体之间能量的直接传递,但在同一时刻只能有一个单体被充电或放电,难以适用于有多个单体需要均衡的情况。本文针对单飞渡电容式均衡结构设计了重构电路,实现了多个等量单体之间的均衡,克服了在同一时刻只能有一个单体被充电或放电的限制,在提升了均衡速度的同时,保证了均衡速度与均衡目标的间隔距离无关。(2)传统多飞渡电容式均衡电路虽然可以实现多个单体之间的同时均衡,但该电路结构只能实现能量在相邻单体之间的直接传输,均衡速度受串联单体数量影响较大。本文针对多飞渡电容式均衡结构设计了重构电路,实现了三种能量传递形式,分别为单体对单体均衡、等量多单体均衡和非等量均衡,消除了能量只能在相邻单体之间直接传递的限制,从而提升了均衡速度,降低了均衡损耗。针对上述两种电路,本文分别建立了等效电路模型,对均衡过程进行了详细的分析,从理论上验证了新拓扑的可行性。同时,通过搭建MATLAB仿真模型和实验样机,对本文所提出的均衡方案进行验证。仿真和实验结果表明,提出的新型均衡电路与传统均衡电路相比在速度方面均有不同程度的提升,同时在损耗方面也有一定程度的减小。

关键词： 阻变存储器   氧化钽   低功耗   氧交换   串联电阻  

摘要： 随着5G、大数据时代的到来,复杂的计算任务和多样的应用场景对计算机提出了更高密度、更低功耗的要求。忆阻器集成存储和计算为一个单元,在下一代存储技术中展现出巨大的能源效率和硬件开发优势。基于忆阻器神经形态计算的研究在脑激发计算、模式识别、感知学习和卷积神经网络等方面都有很好的应用前景。因此,忆阻器的性能和功耗对其性能至关重要。电阻随机存取存储器具有密度高、速度快、非易失性、多值存储和多维存储等优点,是一种具备广阔应用前景的新兴存储器。尽管该存储器有广泛的应用前景,但同时具备低开关电压和电流,以及良好的保持性能,在同一器件中实现较为困难。本论文将对如何降低器件功耗以及产生低功耗的原因展开研究,为在同一器件实现低电流、低操作电压以及良好的保持性能的阻变存储器提供理论依据及方案。本文制备了一种Ta/TaO/ITO/Si新型低功耗阻变存储器件。首先通过改变氧分压和阻变层厚度,得到性能最优的氧化钽薄膜,实验结果表明氧分压为8%、厚度为10nm时,器件具有超低操作功耗(SET功耗为0.27n W、RESET功耗为3.2p W),同时具备高保持性(85℃1×10s)、长循环耐受性(10)、大存储窗口(>10)和自限流特性。其次通过改变下电极和中间层材料,来验证器件产生低功耗特性的作用层,发现下电极ITO对器件性能有着不可忽视的影响。最后,为了进一步研究器件的机理,通过变温电学测试和XPS分析,证实了金属铟(In)导电丝(CFs)的形成和断裂,是造成器件通断的原因,优异的电性能可以归因于ITO的串联电阻作用,可以有效地抑制电压(或电流)过冲的不利影响,从而可以控制In导电细丝的形成和断裂。XPS深度剖面结果证实了TaO/ITO界面处存在氧交换,并在低电阻状态下与欧姆传导机制相契合,表明ITO界面充当串联电阻而不是肖特基势垒。本论文创新性的提出了用ITO作为下电极来降低器件功耗。目前发现的In导电丝的存在为ITO电极的双极阻变行为背后的机制提供了重要的见解,并为ITO电极在低功耗器件中的应用设计提供了一般的指导。

关键词： 二分法   DAC   可再生比较器   低功耗  

摘要： 随着物联网时代的即将到来,自动驾驶、智能视觉等领域逐渐发展起来。CMOS图像传感器作为这些领域重要的一双“眼睛”,如何提高CMOS图像传感器的帧率和分辨率就成了如今学术界以及产业界研究的热点。模数转换器（ADC）作为CMOS图像传感器中的重要模块,它的速度与精度直接决定了CMOS图像传感器的性能。随着集成电路制程工艺的越来越先进,逐次逼近ADC（SAR ADC）与流水线ADC（Pipelined ADC）以及Sigma-Delta ADC等相比,它不需要复杂设计,消耗的功耗比较小,芯片版图面积小,另外逐次逼近ADC具有中高精度以及中等的速度。所以从总体上看,逐次逼近ADC是比较适用于现在的CIS的研究与设计。本文基于CMOS图像传感器应用背景,使用HLMC 55纳米的制程工艺,研究了一种逐次逼近ADC,它的精度是12位,速度是120KS/s。本论文研究了逐次逼近ADC的常见结构,其核心模块电路包括三个部分,本文也是主要讲述了这三个部分电路的设计。在进行DAC电路的设计时,分析了分段电容型逐次逼近ADC的优缺点。确定了差分两步结构DAC电容阵列,将电容阵列分为高6位组以及低6位组,按照上下排列的位置,分别耦合在比较器的正相端与反相端。针对于采样开关,本文使用了栅压自举的电路结构,比较有效的减小采样误差。对于整体SAR ADC系统来说,DAC的设计减小了芯片的面积与功耗。在设计比较器时,使用一种新结构的可再生比较器,节省了比较过程消耗的能量,提高了比较速度。在对SAR逻辑控制电路设计时,研究了多种类型触发器,最终采用了一种新型逻辑单元,只有高6位组的电容参与了对输入信号的采样,低6位组的电容没有参与,有效的降低了电路的功耗并且提高了电路的工作速度。设计完主要的电路模块以后,对整个逐次逼近SAR ADC进行仿真。测试ADC的DNL为-0.3/0.3LSB,INL为-0.3/0.42LSB,具有良好的静态性能。整个逐次逼近ADC采用双电源供电,数字部分是1.5V,模拟部分是3.3V,系统的时钟频率为2MHz。前仿结果表示,在输入摆幅为1.65V,频率为585.94Hz的正弦波信号,采样率为120KHz的情况下,ENOB是11.78位,具有良好的动态性能。

关键词： 低功耗   低中频接收机   跨导提升   电流复用   复数滤波  

摘要： 具有蓝牙功能的便携式移动设备因为物联网技术的发展而得到了广泛的应用,如何延长其续航时间一直是业界设计热点。在整个蓝牙设备电路中,射频接收机前端电路是其中的重要模块,不仅是功能上,同时在整体功耗上也有不小的占比。所以,研究具有更高电流利用效率的低功耗射频接收机电路具有重要的意义。本论文设计了一款面向蓝牙收发机应用的高效低中频接收机前端电路。整个射频前端电路由低噪声跨导放大器、混频器和具有镜像抑制能力的跨阻放大器构成。低噪声跨导放大器结合了用于提升输入阻抗的基于变压器的拓扑结构,以及无源跨导提升技术和电流复用技术,与传统共源结构相比,具有更低的噪声和提高了24倍的电流利用率。低噪声跨导放大器输出端以大输出电阻形式来驱动后级电路,使得整个接收机工作在电流模式。混频器采用无源混频器结构,并应用25%占空比的本振信号,使得接收机具有更好的抗I/Q串扰能力。在无源混频器之后连接了一个具有信号选择能力的跨阻放大器,通带中心频率为2MHz,通带带宽为1MHz。该跨阻放大器为跨阻放大级和复数滤波级的电流复用结构,以较低的电路功耗实现了镜像信号抑制功能。采用TSMC 65nm的CMOS工艺对三个模块进行联合仿真,验证电路各方面参数性能是否满足设计之初提出的指标,得到整个接收机前端电路的参数指标如下,电源电压为1.2V,在具有仅158μW的超低功耗的同时,具有9.7d B的噪声系数,53d B的增益,-26.3d Bm的IIP3和16d B的镜像抑制率,满足超低功耗的同时,其余指标都符合初始设定,与现有的低功耗接收机前端电路相比具有最低的电路功耗。

关键词： 10位模数转换器   SAR ADC   低功耗   二级全动态放大器   桥电容分段式电荷型DAC  

摘要： 随着科学技术的不断发展,物联网逐渐出现在人们的视野并且变的愈加重要,物联网是基于互联网基础上可以纵向延伸和横向扩展的网络。世界经历了工业时代,PC互联网时代,移动物联网时代,到现在的物联网时代,可见物联网已经成为当今社会的主流。传感器是能够将自然界信号转换成电学信号的器件,是整个物联网系统信息的来源,模数转换器(Analog-to-digital Converter,ADC)是传感器中重要组成部分。市面上有很多不同的应用场合决定了模数转换器的要求不一样,如需要瞬态数据处理,则需要高采样速率的ADC,如用于精细的仪器仪表,则需要精度高的ADC,然而可穿戴式智能设备(如智能手表,智能手机,智慧家居)的快速发展又要求设备小巧轻便,因此ADC也必须拥有体积小,功耗低,性能高等一系列特点,于是低功耗的ADC符合现代智能设备的需求。如今针对智能设备的大规模市场,本文设计一款10位低功耗的逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)模数转换器。本文首先对市面上常见的ADC的最佳应用场合进行介绍,得出本文设计的逐次逼近型模数转换器最适应用于当今时代可穿戴智能设备,医疗器械领域的结论。基于该研究背景,介绍ADC的静态、动态两种设计指标,利用这些理论基础设计一款低功耗的SAR ADC,并分析影响SAR ADC功耗和精度的因素:(1)电容阵列总电容值(2)比较器的结构(3)逻辑控制部分的切换方式。并对其改进以达到降低功耗的效果。本文使用SMIC 180 nm工艺,基于Cadence virtuoso IC615进行芯片电路的设计和仿真。本文设计了一种新型带桥电容分段式电荷型DAC结构,同时采用了新型二级全动态比较器以达到降低功耗的目的。本设计为10位SAR ADC,其工作电压为1.2V,采样频率为3MS/s,仿真结果表明,ADC的SFDR为78d B,SNDR为60d B,其能达到9.67bit分辨率,且功耗仅为0.061m W,品质因数可以达到24.1f J/conv-step,芯片已完成流片,芯片面积为0.2mm2。

关键词： 自旋转移力矩磁随机存储器   写电路   磁隧道结模型   低功耗   自终止  

摘要： 存储器,是一种有效存储数据的芯片,它是集成电路产业的关键部分,更是电子设备上必不可少的组成部分。随着便携式电子设备的兴起,例如手机、平板电脑、无线蓝牙耳机等,电子设备上日益增加的功能与迟滞不前的电池技术产生了矛盾,所以在电路设计层面,低功耗技术变得越来越重要,用非易失性存储器替代易失性存储器是一个很好的解决方案,但是现存的主流非易失性存储器如FLASH,读写速度慢,写入功耗大,无法替代SRAM、DRAM等易失性存储器的应用,自旋转移力矩磁随机存储器(STTMRAM)作为新兴的非易失性存储器,有着集成度高,读写速度较快,可擦写次数多,数据保持时间长,抗辐照等优良特性,是最有希望成为下一代通用存储器的代表。然而,STT-MRAM的应用在低功耗电路设计的层面还存在一些问题,虽然其非易失性可以保证其静态功耗几乎为零,然而目前在写入操作时消耗的能耗太大,不足以拉开和SRAM、DRAM等主流存储器的功耗差距。本文针对STT-MRAM写入功耗过大的问题,主要工作内容如下:1)调研了STT-MRAM的国内外研究现状,总结了存储器读写电路设计上存在的两项挑战,介绍了自旋电子学的发展史并重点解释了STT-MRAM应用的核心理论,隧穿磁电阻效应和自旋转移力矩效应。通过对磁隧道结翻转机制的分析以及对STT-MRAM核心存储元件磁隧道结(MTJ)的建模原理的调研,基于TSMC 16nm工艺以及项目需求,利用Verilog-A搭建了可用于电路设计EDA工具Cadence产品仿真的磁隧道结模型,用于本文工作后续电路仿真的同时也为今后还需对STT-MRAM关键电路进行研究的人员提供了建模思路。2)设计了一个具有“实时自终止”功能的STT-MRAM写入电路,常规的写入操作自终止监测模块是由很多数字逻辑门电路组成,面积开销很大的同时延迟也比较高,本文提出了一种利用监测写入支路节点上的电压降而非前后比较的方式进行自终止监测,大大的简化了监测电路的复杂度,同时使用读写电路复用技术,也会减少面积开销。与理论写入驱动电路相比,该“实时自终止”写入电路在25℃,工艺角为TT的条件下,可以节省83.1%写入能耗,仅为0.314p J/bit,可极大降低STT-MRAM电路动态功耗。

关键词： Cyclic ADC   像素单元   运放共享   自适应偏置   热噪声  

摘要： 因X射线的特性是高频和波长短,近年来X射线探测器得到了快速发展。在医疗、航空以及工业等领域,X射线探器因其特性而得到广泛应用。X射线检测器中晶格平面的读出电路通过对检测信号放大,然后降噪一系列处理之后交由ADC进行模数转换。输出的数字码将会由后续的数字信号处理模块,进行后续处理。对于像素阵列的读出电路,每个像素单元都有一个对应的像素级ADC用于模数转换。作为读出电路与数字电路的接口,像素单元的内部模块,面积、功耗以及工作频率是ADC的设计难点。针对X射线探测器读出电路中的像素单元阵列,系统对像素单元中ADC的面积和功耗提出了一定的要求。本文先通过比较几种常见的像素级ADC的优劣势,以及对传统循环型模数转换器(Cyclic ADC)的理想模型分析,确定循环型模数转换器符合像素单元的系统要求。借助工具simulink将信号的建立误差、热噪声、电容失配度等加进理想模型中,有目的的分析各个误差源对循环型模数转换器的性能影响。在误差源适量的干扰下,循环型模数转换器满足像素单元对ADC面积与功耗的要求,确定研究并设计一款应用在X射线探测器读出电路像素单元中的低功耗循环型模数转换器。在底层模块设计中,ADC采样电路与MDAC采样电路共用一个运放,实现运放的共享技术。根据流水线型模数转换器中运放的直流增益和单位增益带宽逐级递减的原理,设计自适应偏置电路,在不同循环次数逐步降低运放的尾电流,进一步降低了ADC的整体功耗。合理的时序加上冗余位算法,提高了比较器对失调电压的容忍度,减小回踢噪声的影响。借助Candence平台,在SMIC的CMOS工艺下,完成了12位100k Hz的Cyclic ADC设计。通过对设计的Cyclic ADC进行前、后仿,验证ADC的功能和性能。结果显示,ADC的信噪比为69.5d B,信噪失真比为68.5d B,无杂散动态范围为75.1d B,总谐波失真为-75.4d B,有效位数达到11.09位。ADC的整体功耗是95μW,在像素单元中所占版图面积大约是130μm×90μm,达到了系统的设计指标。

关键词： 振动能收集   最大功率点追踪   事件驱动   低功耗  

摘要： 随着如今对便携式产品的技术要求及设备数量的需求越来越高,物联网技术得到了快速的发展,其中以电池为主的供电系统由于其体积大、成本高且需要定期更换而无法满足用户需求,故可集成且低功耗的能量收集系统逐渐显示了其必要性。振动能作为一种普遍存在于环境中的典型能量,利用能量收集技术对其进行收集利用具有广阔的市场前景。本文针对振动能进行了能量收集系统的研究及设计,所设计的系统采用了BUCK-BOOST变换器作为功率级以适应大的输入能量源范围,其具有优化的连续最大功率点追踪功能。传统最大功率点追踪模块为每隔几个周期或固定时间工作一次以检测追踪最大功率点,这种方法无法紧密跟随输入的变化,当输入能量源长时间稳定时会产生较大的功耗。本文提出了一种事件驱动机制,只有在输入能量源状态发生变化时才会触发最大功率点追踪模块去重新追踪最大功率点,可以连续且实时的跟随输入源的变化,大大节省了功耗提高了效率。传统的开路电压法需每隔一段时间断开一次输入源与功率级之间的连接以进行开路电压采样,造成了开关损耗及开关断开期间的能量流失,且无法及时响应输入源的变化。本文采用了针对于BUCK-BOOST变换器的纹波关联相关控制方案代替传统开路电压法并设计实现了具体电路,无需间歇性断开开关,避免了功率损失并加快了响应速度。本文所研究设计的振动能收集系统整体围绕低功耗进行电路实现,故最大功率点追踪模块、主体拓扑电路结构及其他子模块电路如整流接口电路、微分器、运算放大器、比较器、过流模块、基准模块及事件驱动电路等皆采用低压低功耗结构设计改进,以减小系统自身功耗,提高能量收集效率。本文利用Spectre仿真工具进行整体拓扑设计搭建,并基于180nm BCD工艺进行系统细节设计及子模块搭建,最后对子模块及整体振动能收集系统进行了仿真验证,仿真结果表明,本系统实现了一种可实时自适应的最大功率点追踪技术,追踪时间约为30ms,最大功率点平均追踪精度高达87.0%,系统的传输效率为84.2%,且验证了MPPT模块仅在输入源变化时才进行工作的设计理念,真正实现了低功耗高效率的振动能量收集系统。

关键词： 有源电力滤波器   损耗分析   模型预测控制   直流侧电压控制  

摘要： 随着用电设备的电力电子化,电网的谐波污染问题日益严重。有源电力滤波器(APF)作为治理谐波污染和改善电网电能质量的有效手段,近十年来取得了长足的进步,并在中低压配电网中得到了广泛的应用。随着国家能源双碳战略目标的确定和对节能减排的大力推动,APF的运行效率成为衡量APF性能优劣的一个重要指标。本文围绕APF的降损问题,从系统设计和控制策略两方面研究了降低APF运行损耗的途径和方法。在论述APF组成结构的基础上,阐明了 APF损耗的主要构成因素,分析并建立了交流滤波电抗器、电力电子开关器件和直流支撑电容器的损耗模型,从设计上给出了交流电抗器和直流电容器的低损耗选择方法。基于APF的工作原理,建立了 APF的状态方程数学模型和控制系统结构,研究了三相四桥臂APF的开关矢量和模型预测电流控制方法,提出了一种改进的模型预测电压控制策略,可以减少模型预测计算工作量,缩短控制计算时长。基于开关损耗与开关频率正相关的结论,结合模型预测控制可实现多目标优化的特点,在电流误差最小目标的基础上引入开关状态切换最少的辅助优化目标,并研究了双目标权重系数的合理选择,有效降低了电力电子器件的开关损耗。基于电力电子器件的开关损耗和直流支撑电容器的介质损耗与APF直流侧电压正相关的特点,考虑到电网电压的正常偏差,研究了一种直流电压随电网电压偏差而变的直流电压随动控制策略,在电网电压较低时相应降低直流电压,可在保证网侧电流性能的前提下进一步降低APF的功耗。基于PLECS仿真软件构建了 APF的热仿真模型,仿真结果验证了本文所提降损方法的有效性。基于RT-BOX实时仿真器搭建了三相四桥臂两电平有源电力滤波器的快速控制原型实验平台,开展了系列对比实验。结果表明,与传统单目标、恒直流侧电压的模型预测控制相比,引入开关状态切换辅助优化目标的模型预测控制获得了更低的功耗,采用直流电压随电网电压而变的随动控制策略进一步降低了 APF的功耗。

关键词： 龙芯平台   基本线性代数子程序   深度学习算子库   机器学习框架   单指令多数据指令集  

摘要： 通用处理器是信息产业的基础构件,同时也是国产化道路推进的重要组成部分。目前我国自主研发的通用处理器如龙芯已经趋于成熟,但其上的软件生态还有待改善,诸多软件架构如人工智能相关的机器学习框架和深度学习算子库没有在龙芯平台上实现支持与应用。在当前人工智能技术处于飞速发展的阶段,许多从事人工智能研发的公司不断涌现,其中也有龙芯的合作伙伴如科大讯飞,处于人工智能产业链最前端的龙芯公司在其平台上适配机器学习框架和深度学习算子库可谓义不容辞。不仅要在龙芯平台上支持框架和算子库,而且要让其在龙芯平台上实现好用,因此本文的核心可分为构建和优化两个部分。本文的主要工作可分为以下两点:(1)在龙芯平台上首次构建了机器学习框架和深度学习算子库,实现了龙芯平台上人工智能开发框架的从无到有。针对最热门的机器学习框架Tensoflow和常用的深度学习算子库oneDNN,在龙芯平台上实现了移植,功能能够正常使用。(2)本文利用了嵌入OpenBLAS子模块的方法去优化深度学习算子库,将一个高性能的通用矩阵乘开源项目作为一个子模块嵌入到深度学习算子库中,让深度学习算子库中原有的通用矩阵乘处理转而调用通用矩阵乘的接口函数处理,这样可以起到对矩阵乘和卷积算子的优化,经过测试矩阵乘算子有了成倍的性能提升。除此之外,本文还利用SIMD指令初步优化了池化,softmax等算子,原有的循环中一次只能处理一对变量,经过SIMD指令优化后的循环中一次可处理4对变量,大大提升了一次循环处理的效率,同时提升了相关函数的性能。