关键词： WIFI   模数转换器   低功耗   逐次逼近  

摘要： 随着无线局域网的普及与物联网的发展,低成本低功耗的WIFI芯片具有广阔的市场前景。模数转换器作为WIFI接收机一部分,负责模拟前端到数字基带的信号转换,降低模数转换器功耗具有重要意义。本文首先介绍模数转换器的原理和性能参数,并针对各种主流模数转换器架构的优缺点进行分析总结,认为逐次逼近式转换器架构更能满足WIFI高速低功耗中高精度需求。本文再介绍、分析和总结逐次逼近式模数转换器高速低功耗相关技术,这些技术包括低功耗电容DAC切换方案,冗余位技术,高速低功耗比较器和异步SAR逻辑。然后本文基于系统指标要求,确定系统顶层架构和核心模块指标,给出包括自举开关、比较器、异步SAR逻辑和数字纠错逻辑在内的电路设计细节和仿真结果。对于参考源驱动电路,本文通过基于RC建立模型的系统方案优化降低驱动要求,并提出一种翻转电压跟随式参考源驱动电路,进一步降低系统功耗。最后本文给出了SAR ADC系统版图与后仿真结果。本设计基于TSMC 40nm 1P6M工艺实现一款高速低功耗SAR ADC。在输入频率为21.25MHz,幅度为1.4Vpp条件下,SNDR为58.2dB,SFDR为72.4dB,ADC核心部分功耗为1.42mW,系统总功耗为2.03mW,对应的只包含SAR ADC核心部分和包括参考源驱动电路的FoM分别为13.3 fJ/conversion-step和19.0 fJ/conversion-step。

摘要： 记者观点一台合格的监控摄像机需要从两方面入手,一方面增强图像性能指标,让用户保证看得见、看得清的体验,另一方面创新应用功能,丰富用户体验.但两者的结合往往难以保证性价比,例如功耗与存储等对用户成本形成极大的挑战等.此次浩伟安防H.265+智能变光全彩摄像机采用先进低功耗工艺和低功耗架构设计,使得产品在低码率、离画质、低功耗等方面引领行业水平.

关键词： 超低功耗   650nm红光   遥控   磁保持继电器  

摘要： 具有待机功能,尤其具有远程遥控功能的用电系统,其待机功耗不容忽视,为此提出了一种改进型超低功耗遥控待机系统设计.在分析几种传统降低待机功耗方案基础上,提出采用650nm红光遥控控制改进方案;通过分析磁保持继电器控制及驱动电路设计,设计出实验样机并进行了功能测试和低功耗测试,验证了设计的正确性与可行性.测试结果表明,相较于传统待机系统,所提的改进型待机系统,其待机功耗低于10mW,且稳定性高,成本低.

关键词： 无线自组织网络路由   低功耗节点   关键技术  

摘要： 作为无线自组织网络(Ad Hoc网络)的基础,快速可靠的路由(fast andreliable protocol,简称:FAP)在应用中具有鲜明的特点即高度抗毁性、高度可靠性以及高度移动性,是目前Ad Hoc网络研究应用过程中的关键技术点。AD HOC网络在应用中以较窄的宽带为无线信道,并且因低功耗节点的变相移动致使出现拓扑变化较为频繁的现象,如若在AdHoc网络中应用传统的路由协议,周期性质的控制信息需占有大量的无线网络资源,大大降低整个网络系统的效率。与此同时,因Ad Hoc网络的节点在应用中一般以电池进行供电,并且因技术层次的制约,电池容电量问题短时间内难以得到很好地解决。由此表明,Ad Hoc网络路由与低功耗节点关键技术的研究具有显著的划时代意义。

关键词： 相变存储器   功耗   第一性原理   分子动力学模拟   电场  

摘要： 随着“大数据”时代的到来,海量的数据存储及分析对计算机和存储器的性能提出了挑战。另一方面,人工智能领域的快速推进,也促使数据的存储和处理朝着通用型存储和“存算一体化”的方向发展。在这种发展趋势下,传统的半导体存储器在性能的发展也逐渐显得力不从心。人们迫切需要找到同时具有非易失性、速度快、功耗低、高集成度等优点的新型存储器。在这种需求下,以相变存储器为代表的多种新型非易失性半导体存储器应运而生。相变存储器以相变材料为信息存储的载体。相变材料在一定外界条件,通常是电脉冲作用下可以实现其晶相和非晶相之间的可逆相变。两相的性质差异为信息存储提供了两个基本的逻辑状态“0”和“1”。相变存储器由于其良好的数据保持力,快速的存储速度等优点得到了广泛关注,并且已经实现了商业化应用。不过,与阻变存储器、自旋转矩存储器等新型半导体存储器相比,相变存储器的功耗明显要高许多。特别是在器件集成度越来越高的情况下,高功耗将带来诸多问题。为降低相变存储的功耗,该领域的研究者们提出了减少相变区域体积、设计新的低功耗相变材料组分,和使用可避免熔化过程的诱发相变外界条件等方法。本论文中,针对相变存储功耗高的问题,我们使用第一性原理计算,主要探究了影响相变材料功耗的非晶化过程的机理。在此基础上,我们进一步提出了降低相变材料功耗的可行性方案。具体研究内容包括以下5个方面:1.探究空位有序的立方GeSbTe的非晶化过程及这一新相的可能应用。在目前研究最广泛的GeSbTe材料中,我们发现了它的一个新的立方相,其中空位高度集中形成了空位层。通过第一性原理分子动力学模拟,我们发现空位有序的立方GeSbTe的熔化过程首先从空位层附近开始。其中空位层附近的Ge原子会在熔化开始前进入到空位层中,进一步促进空位层附近的无序化。通过控制熔化时间,只让空位层附近转变成非晶态,那么在空位有序的立方GeSbTe中可以实现准二维非晶化过程并得到一个半非晶相。半非晶相可视为纯非晶相和纯晶相的中间态。那么基于这三个相可以实现三态的相变存储。另外,使用半非晶相和纯晶相也可以实现低功耗的双态存储方案。2.相变材料厚度的极限——单层SbTe相变过程研究。减少相变材料尺寸可以明显降低功耗。但对于常用的GeSbTe材料,其厚度达到2nm时将无法结晶。为解决这一问题,我们选择更容易结晶的SbTe材料,并将其层状结构单元取出得到单层的SbTe。通过分子动力学模拟,我们发现单层SbTe可以发生晶相和非晶相之间的可逆相变过程。其结晶过程先形成Te-Sb-Te三原子层作为晶核,之后再生长成晶相的五原子层结构(我们称之为“3+2”结晶过程)。另外,我们还发现衬底对相变影响十分显著,未钝化的衬底将破坏结晶过程。由此,我们提出了基于单层SbTe材料的二维相变存储器方案。二维相变存储器不仅解决了高功耗的问题,同时还能增加相变存储器件的集成度。3.光激发诱导新型Sc-Sb-Te相变材料超快非晶化过程。Sc-Sb-Te是一种新的相变材料组分,由于其超快的结晶速度得到了广泛关注。其中Sc与周围Te形成的稳定原子集团(ScTe)可以作为晶核,从而加速结晶过程。事实上,Sc-Sb-Te也是一种低功耗的相变材料,然而目前对其非晶化过程的研究很少。我们使用基于含时密度泛函理论的分子动力学模拟,研究光激发作用下Sc-Sb-Te的非晶化过程。由于Sc独特的d电子成键特性,使得在激发作用下,电子会选择性地占据Sc的t轨道。这导致了ScTe原子集团中的Sc偏离原来的成键构型并朝着t轨道的成键构型发生定向转变。这种转变会驱动周围原子更容易发生无序化,降低非晶化的功耗。因此,ScTe原子集团不仅可以加速Sc-Sb-Te材料的结晶过程,也有利于材料的非晶化过程。4.电场作用下InSe结构和性质变化研究。电场可以使相变材料GeTe纳米线中位错堆积,由此实现不经过熔化过程的非晶化,从而降低了功耗。一般认为,电场作用下载流子与晶格的耦合作用导致了位错运动。除了这种耦合作用外,电场对材料中的原子核及电子有非热的库仑力作用。这部分内容将探究非热库仑力是否会引起相变。但是VASP计算软件研究电场作用时要求计算模型必须是二维结构。因此,我们先以单层硫族化合物InSe为例,探究其在电场作用下的结构和性质变化。我们发现电场对单层InSe的结构和带隙影响甚微,但能降低其空穴的有效质量。因此在单纯库仑力的作用下无法发生相变。另外,电场可以控制单层InSe对气体分子的吸附力。5.理解有机单晶中主客体分子的掺杂机制。掺杂是调控半导体性质的主要手段。但目前对有机单晶中主客体分子掺杂机理的研究还存在空白。以并五苯掺杂BSB-Me单晶为例,我们通过第一性原理计算发现客体并五苯分子在主体BSB-Me晶体中呈现出“完美”的替换位掺杂结构。这一结论被实验上的荧光偏振光谱结果所证实。并且在

关键词： 电源管理   多相电流均衡   输出纹波   低功耗   高降压比  

摘要： 随着智能手机、平板、笔记本等现代便携式设备的不断发展,内部最核心的中央处理器的性能不断提高,电源管理芯片亦需要应对更复杂的供电需求。本文以便携式设备的中央处理器供电为切入点,对不同电压输入/输出范围的多相DC-DC转换器芯片的若干关键技术进行研究。针对平板、智能手机处理器的低压大电流供电需求,论文提出一种适用于两相Buck转换器的含失调校正功能的增强型电流均衡技术,其仅需采样各相的上边功率管的电感电流,便能同时在电感电流连续导通和断续状态下实现相间的电流平均分配;同时针对两相Buck转换器输出纹波的产生机理,提出基于交错同步时钟和自校准交错时间发生器的纹波消除技术,使转换器的各相在全负载范围内均精确地错开,继而减小输出纹波幅值;最终基于上述技术,设计并实现了高性能两相Buck转换器芯片,其中包含基于纹波反馈的自适应导通时间控制逻辑、自校准零电流关断电路、鲁棒的功率开关管驱动逻辑等。芯片采用0.18μm BCD工艺流片验证,其满载电流达6A,峰值效率91%,相间电流误差<0.6%,输出纹波<9mV。与同类研究相比,本设计显示出更好的综合性能。针对便携设备高性能供电和低待机功耗的需求,将转换器相数拓展至四相以提高负载能力,且提出专门的静态功耗优化技术,为极轻负载时的四相Buck转换器提供了低功耗运行模式,并通过滞回逻辑保证平稳的模式切换;同时提出改进的高精度电流镜采样技术,并结合自适应导通时间控制、“主-从”电流均衡机制、电感电流谷值过欠流保护以及内置高频同步时钟等,保障了性能和安全性;最后,设计并流片测试了满载12A的全集成四相Buck转换器芯片。在达到同类研究相似性能的同时,转换器仅消耗7 μA的静态电流。针对笔记本电脑处理器典型的12 ***高降压比、大电流供电需求,在保留串联电容式Buck转换器拓扑所具有的占空比加倍、功率管电压应力减半等优点的同时,将转换器的相数拓展至四相以提高电流负载能力;进而提出了配套的基于自适应导通时间的四相电流均衡技术,降低了电感饱和的风险,节省了半数的电流采样传感器,大幅缩小了系统体积;同时结合栅极保护、以及带有浮动电源和零静态功耗快速电平转换的高压侧功率开关管驱动,使用氮化镓功率器件优化了能量转换效率和电流密度;最终,采用0.35μm高压工艺设计了 12V-1.2V降压比四相串联电容式Buck转换器芯片。每相2.5MHz的开关频率下,转换器实现了 92.5%的峰值效率和10A的满载电流,且外围关键器件总体积低至21.7mm3,电流密度高至460.8A/cm3,均在同类中占优。

关键词： 时差式气体超声波流量计   信号跳波   编码激发   特征波形   频率反馈技术   换能器频率特性   低功耗  

摘要： 天然气是一种优质、高效、清洁的化石能源,相比石油和煤炭而言,在安全性、排放量、开采成本等方面均具有明显的优势。目前已广泛应用于各个领域,在全球能源结构中所占比重可观,并呈现持续上升的趋势。与传统的流量计相比,超声波流量计具有测量精度高、量程比宽、维护成本低和气流阻力小等优点,因此引起天然气行业极大的关注。现有的时差式气体超声波流量计采用阈值触发、动态选择过零点的方式检测超声波信号渡越时间,在复杂的恶劣工况条件下表现出测量结果不可靠、过度依赖换能器性能与持续性跳波等严重缺点。为此,本文提出基于编码激发与特征波形检测的渡越时间测量方法,针对超声流量计的可靠性、稳定性与低功耗三个方面分别展开研究。具体工作内容如下:(1)针对传统阈值法在复杂工况下应用时表现出的不可靠性进行详细分析,分别在不同环境下进行了全面的信号测试,发现阈值检测法出现持续性跳波问题的根本原因在于气体介质、流速和温度等均会改变换能器的性能参数,导致回波信号的包络形态发生较大变化。(2)编码激发方案设计,依据换能器激发端存在的“残余振荡”现象,设计出“Φm+Φn”幅相调制激励脉冲,可产生特征明显的接收波形。然后搭建换能器收发系统等效电路模型进行仿真分析,同时搭建电路检测信号,确定了幅值相位调制脉冲的具体参数。随后进行可行性验证,结果显示若激发频率接近换能器谐振频率,则回波信号必然产生稳定的编码特征。(3)编码激发电路设计,灵活使用DSP的ePWM模块与中断功能,结合模拟开关、运放等元件,调制出理想的幅相编码激励脉冲。换能器接收电路设计,保证DSP内置ADC模块可准确地采集接收信号数据,编写了特征脉冲识别算法与动态甄选过零点算法。(4)编码激发方案系统设计,MSP430作主机搭建流量计的主体逻辑骨架,DSP作从机实现激励脉冲调制、回波信号检测、信号频率校验等功能,主机通过外设端口调用从机的功能模块。经工作时序调控,设计出一套完整的编码激发方案流量检测流程。(5)编码激发方案性能优化,通过回波信号频率检测法获得换能器的实时特征频率,下一次检测时更新激发方波脉宽,保证任意温度下的激发频率接近换能器谐振频率,有效地增强了编码激发方式气体超声波流量计对温度的可适应性。编码激发方案负压实流标定测试,按照国家标准中关于1.0级精度等级气体流量计的要求设计实验方案。在三种前置管段的安装条件下,使用DN50流量计依次进行实流标定,检定结果均达到了 1.0级精度要求。

关键词： 众核处理器   数据共享   缓存   低功耗   片上网络  

摘要： 随着集成电路的发展,单个芯片上可集成的处理核心越来越多。与单核相比,多核系统拥有更高的能源效率和计算性能,但不同核心的数据拷贝会导致缓存一致性问题。随着核心数量的增长,系统结构由多核变为众核,维护一致性需要的硬件开销和网络流量迅速增长。同时,由于大多数应用中核心节点的数据交互是非全局的,而常规片上网络的节点却是全局访问,因此众核的片上网络设计也存在冗余。针对多数应用中节点非全局交互的特点,文章实现了一种横纵路独立、数据全局共享的低功耗众核处理器。该处理器主要采用数据共享方案,设置分区排布、全局共享的数据缓存结构,系统的每个节点核心包含统一的对外接口,核心间的数据缓存可以相互访问。面向节点非全局交互应用,还设计了横纵路区分的片上网络结构和加速邻近核心数据交互的局部互连结构。同时,由于众核结构中多个核心同时运作会引起高发热,因此设计中加入了基于Power Gating关断技术的低功耗解决方案,使系统的每个节点核心可灵活地工作在高性能模式、精简模式和睡眠模式。首先使用System Verilog语言对设计进行硬件实现,然后使用Verilog Compile Simulator工具对系统及各模块进行功能仿真,再通过Design Compiler工具进行综合,最后使用Prime Time PX工具进行功耗分析。因为系统采用数据全局共享方案,省去了维护缓存一致性的目录等结构,设计的数据缓存部分可以节省10.96%到34.686%的硬件开销。众核处理器在8*8规模下与单个核心相比有29.157倍的性能提升。此外,由于系统加入了低功耗设计,节点核心在精简模式下可降低40.3 84%的功耗,在睡眠模式下几乎不产生功耗,整个系统的功耗会随着应用中简单运算占比的增加而降低。

关键词： Low Power   Neuron Model   VLSI   Electrical engineering  

摘要： The brain is a powerful system on computing and learning. Also, it is probably the most complex and interesting system in the world at the same time. It consists of a neural network of billions of neurons and synapses. They are the basic structural and functional units of the brain. Therefore, understanding real neuron's fundamental mechanisms and basic operating principles becomes a fascinating challenge that motivates and gathers people from different research fields as neurophysiologists, mathematicians, physicists and engineers. In order to study the nervous system, a reasonable starting point is to model its basic units, neurons and synapses, extract the key features, and try to put them together in simple controllable networks. Thanks to the efforts by biologists, lots of researches and subtle experiments have been done. The data and conclusions from those researches give physicists and mathematicians an opportunity to simplify the complex neural network and transform them to many different kinds of reasonable neuron models using explainable mathematic equations and theories. And finally, based on those simplified networks, engineers can design and build devices using VLSI approach to mimic or even reform real neuron's activities in a real-time domain so that we can use them in many fields like bio-mimetic robotics and biomedicine. Although there are so many of such models both at biological and functional level have been developed, not all of them is suitable for implementation and practical use. For VLSI design, not only do we have to realize the correct neural functionality, but also need to consider the power and area efficiency. And in practical case, the stability and reliability under different serious conditions need to be taken into consideration as well. Thus, it is necessary to study each neuron model for feasibility and compare different neuron models in real design situation. In this work, the biological background and modeling of spiking neurons

关键词： 低功耗广域物联网   自组织网络   能耗管理系统   STM32   CC1125  

摘要： 随着我国经济的飞速发展,楼宇高耗能的问题也日益严峻,存在各项资源浪费问题。楼宇能耗数据的实时采集、传输、处理是智能楼宇节能管理的重要组成部分。新兴的低功耗广域物联网技术与智能楼宇能耗管理系统的结合,可以有效解决传统有线能耗管理系统灵活性差、成本高、布线麻烦等问题。因此研究与实现基于低功耗广域物联网的能耗管理系统是未来智能楼宇节能发展的重要方向。本文首先研究了基于低功耗广域物联网的智能楼宇能耗管理系统的整体架构,该架构主要由感知层、传输层、应用层构成。根据架构设计,能耗管理系统的硬件部分主要包括电量、水量数据采集节点和采集网关。能耗数据采集节点主要由STM32L051处理器与CC1125无线射频收发芯片组合而成。而能耗数据采集网关则由电源模块、STM32F207核心处理器模块、以太网模块、GPRS模块、射频模块、GPS模块、RS485接口模块、RTC模块和USB转串口模块构成。在硬件设计的基础上,本文完成了能耗管理系统的软件开发,其中包括低功耗广域物联网通信协议、网关通信程序和服务器程序的实现。整个能耗管理系统利用自组织无线广域网络协议,完成数据采集和无线收发,将数据上传至服务器实现智能楼宇能耗数据采集和管控要求。本文完成了基于低功耗广域物联网的能耗管理系统的样机搭建,并在现场进行了功能验证和稳定性测试。实验测试及运行结果表明,本系统能够有效采集能耗数据,并且能实时地将能耗信息无线传输到服务器,达到了预期设计目标。