关键词： 加法器   Ling   Ripple   低功耗  

摘要： 加法运算是数字电路中的基本运算之一,通常处于算术运算、信号处理和通信系统等应用的关键路径上。加法器计算的速度和功耗对整体电路的性能影响显著,对加法器电路的设计优化也显得至关重要。 现有的高速加法器研究,主要包括在电路级对全加器单元结构的优化,以及在结构级对进位结构的优化,随着操作数位宽的递增,现行的通用结构并未能有效地对计算延迟与硬件面积开销进行平衡。为了解决上述问题,本文提出了一种32位混合进位的加法器电路。在该设计中,低11位使用了串行结构代替了传统的超前进位方式,而高21位则使用基于Ling型进位的并行前缀结构。此外,在对32位操作数进行分组后,在每个求和组的输出和逻辑中,引入了新的中间变量进行香农展开,平衡输出路径中MUX逻辑的控制信号与其输入信号之间的延迟,并对每一位输出和电路进行了优化设计,使用了定制的逻辑运算电路,降低了所实现的加法器电路的硬件消耗和运算延时。 本文在SMIC 180 nm、UMC 28 nm和14 nm Fin FET工艺下分别实现了所设计的加法器,版图面积分别为4557.5μm2、193.2μm2和73.8μm2。同时对加法器进行了测试,测试结果表明,对于使用180 nm、28 nm和14 nm工艺的加法器,加法器的最大延迟分别为0.83 ns、0.312 ns和0.183 ns。与传统的Ling型进位加法器相比,所提出的加法器在面积上大约减少了10%～30%,在延时上大约降低了10%。

关键词： 开关电源   Boost变换器   ACOT   谷值电流模  

摘要： 随着科技的发展,各式电子产品极大地方便和丰富了人们的日常生活。其中有相当部分便携式电子产品采用锂离子电池供电,然而锂离子电池输出电压较低,不能直接给负载供电,需要升压变换。Boost开关电源变换器以其具有高转化效率的升压特点得到了广泛运用。传统的Boost变换器静态电流高达数百微安,严重影响了便携式电子产品的续航能力,因此高转换效率、低功耗、低输出电压纹波的高集成度的Boost开关变换器成为了当前的研究热点。 本文首先通过对Boost开关变换器的环路调制方式、控制方式的对比,探讨了采用固定导通时间COT(Constant On Time)模式的优势。在传统的COT调制模式基础上通过导通时间发生器实现了在连续导通模式下恒定的Boost开关频率,降低了传统COT调制模式的抗电磁干扰(EMI)水平。通过对所建立的Boost架构进行了小信号分析,在SIMPLIS仿真工具中进行建模,验证所设计的Boost架构的可行性。针对传统的Boost变换器只能进行升压的问题,设计了一种旁通Bypass模式,通过引入输入电压前馈与输出电压反馈电路,来控制续流管的导通,实现了降压输出。最后,本文使用Cadence Spectre工具,基于0.18μm BCD工艺设计了一款ACOT调制模式、谷值电流模控制方式的Boost开关电源变换器。该Boost变换器围绕“低功耗”进行设计,采用内置功率管,并集成欠压锁定、过温保护、短路保护、软启动等功能,可以满足各种锂离子电池供电的小型电子设备使用。通过研究设计获得了以下结果: 1、该变换器输入电压范围2.9 V～5 V,输出范围为3.1 V～4.8 V,最大带载能力为200 m A。 2、在典型条件下Boost变换器的静态电流仅为82.47μA,满足本文的低功耗设计的预期要求。 3、在电源电压为2.9 V,输出电压3.6 V的条件下负载调整率为0.76%/A;输出电压在3.6 V时,在重载条件下线性调整率为0.01%。 4、在使用1μH的外置储能电感并考虑寄生参数影响的情况下,Boost变换器最高有97.11%的转换效率,在轻载条件下也保持在89%以上的转换效率。

关键词： 导通压降Von   关断损耗Eoff   自适应PMOS   浮空电极   自适应二极管  

摘要： IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是由BJT（Bipolar Junction Transistor）及MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）组成的复合功率半导体器件,因此兼具驱动功率小、输入阻抗高及电流处理能力大的优势。IGBT分别向纵向分立器件与横向SPIC（Smart Power Integrated Circuit）两个方向发展,但是IGBT始终存在着导通压降(Von)和关断损耗(Eoff)的矛盾关系。为了改善IGBT的Von-Eoff的折中关系,本文分别提出了一个横向IGBT和纵向IGBT新结构。 1.提出一种具有自适应PMOS和双浮空电极的LIGBT（Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor）器件。该器件的主要特征为集成了一个与常规LIGBT区域通过氧化深槽隔离的PMOS和双浮空电极（F1和F2）,其中PMOS的栅极由常规LIGBT区域N-drift上方的F1自适应控制,PMOS的漏极通过F2与常规LIGBT区域阳极N+区互连,其源极与阳极P+区短接。在正向导通时,PMOS自适应关断,器件直接进入双极导通模式,有效的避免了Snapback现象。在正向阻断时,PMOS自适应开启,N-buffer电位抬升至接近阳极电位,P+/N-buffer结关断,器件实现了类MOS的单极击穿模式,提高了器件的击穿电压（BV）。在关断期间,在电压上升阶段,PMOS自适应关断,F1电极加速对电子和空穴的复合,在电流下降阶段,PMOS自适应开启,F2电极加速对电子和空穴的复合,从而降低了器件的Eoff,改善了器件的Von-Eoff折中关系。在反向导通时,通过体内的PIN二极管与PMOS的寄生PNP晶体管实现反向导通能力。在反向恢复过程,寄生PNP晶体管导通,F2电极加速电子与空穴复合,降低了器件的反向恢复电荷(Qrr)。仿真结果表明,与SSA和STA LIGBT比较,在相同的Von下,SPF LIGBT的Eoff分别降低了79%和55%;与STA LIGBT相比,该器件的Qrr降低了48%;且BV达到了370V。 2.提出一种集成多晶硅电阻和二极管的IGBT器件。该器件的主要特征为在发射极端集成了多晶硅电阻和二极管（DP）,多晶硅电阻一端与发射极N+相连,一端与多晶硅二极管N+区域相连共同引出发射极电极,多晶硅二极管P+区域与发射极P+相连。在正向导通时,随着电压增大,自适应二极管P-well/N+（D0）开启,提高了载流子的注入效应,增强了漂移区内的电导调制效应,降低了器件的Von。在关断期间,二极管D0处于导通状态,寄生的PNPN晶闸管加速对载流子的抽取,有效的降低了器件的Eoff。在短路状态时,由于二极管D0在器件进入饱和区之前自适应关断,且多晶硅电阻抬升了发射极N+的电位,从而降低了发射极的载流子注入,使器件的饱和电流密度减小,有效的增加了器件的tsc。

关键词： 能量收集   发射机   锁相环   高斯频移键控  

摘要： 在当今万物互联的世界,无线传感器节点遍布于人们身边的各方各面,要实现数以万计的无线传感网络节点的互联,无线传感器节点必须内置用于通信的收发器芯片。通常收发器芯片消耗无线传感器节点的大部分功耗,从而限制电池的使用寿命。为了延长无线传感器节点的续航时间,本文对适用于无线传感网络节点的低功耗发射机芯片进行研究。 为了延长无线传感网络发射机芯片的续航时间,本文提出了一种基于射频能量收集的无线供电以及电源管理方案,有效地降低了系统平均功耗。其中能量收集电路采用主动阈值抵消技术,在-6dBm的输入下仿真可以达到55%的能量转换效率,在输出电压达到2V时的灵敏度可以达到-13dBm;改进的电压监测电路能够输出高达0.5V的迟滞电压,进而控制系统在1.5V至2V的电压区间工作。 针对无线传感网络发射机芯片功耗低、数据率高的需求,本文提出了两种基于I型锁相环的直接调制GFSK发射机方案: 方案一采用级联宽带锁相环实现高数据率的带内调制,同时使用主从采样滤波器来抑制鉴相器带来的纹波干扰问题,以提高输出信号的相位噪声性能。第二级锁相环的带宽达到4MHz,调制数据率可达到1Mbps以上。此外,在宽带锁相环中使用环形压控振荡器,具有功耗低、面积小、调谐范围大以及与衬底的耦合小的优点。 方案二采用基于开环锁相环的带外调制方法,其数据率不受环路带宽限制,本文采用轨对轨电压跟随器与大电容来减小开环状态下的频率漂移,在开环状态下频率漂移速率低至29Hz/μs。本方案采用键合线VCO来进一步减小芯片面积和功耗,同时也降低了相位噪声,在TSMC 65nm工艺下该芯片面积低至0.42mm2,功耗仅960μW。

关键词： 电池管理系统   BLE Mesh   扩展卡尔曼滤波   无迹卡尔曼滤波  

摘要： 电池作为电动汽车的重要组件推动着国家绿色出行产业的发展。电池管理系统作为电动汽车核心管理部件具有重要研究价值。目前动力电池管理系统存在算力扩展能力不足的问题,同时在电池健康状态估计方法中存在对电池非线性化拟合程度不足导致准确率低的问题。本文旨在设计一种基于低功耗蓝牙网状网络(Bluetooth Low Energy Mesh,BLE Mesh)的无线电池管理系统,利用BLE Mesh多对多无线通信特性便捷扩展电池管理系统算力;同时研究并优化电池健康状态估计算法,提升估计精度。本文研究的主要内容包括: 针对电池管理系统算力部署受限导致算力扩展能力不足的问题,本文采用BLE Mesh协议的多对多无线通信特性,设计一种面向国产芯片,基于BLE Mesh通信组网的无线电池管理系统。首先设计电池管理系统采集平台对分布式电池组的电池状态数据进行采集监测;再通过设计蓝牙通信平台,建立起BLE Mesh通信网络,分布式电池组的电池状态数据在BLE Mesh网络中进行多对多无线传输,传输至多个运算控制单元,便捷扩展了系统算力。 针对电池管理系统的电池健康状态估计方法中对电池的非线性化拟合程度不足导致准确率低的问题,结合长时间尺度的修正方法,联合无迹卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器,建立长时间尺度下的联合卡尔曼估计算法。扩展卡尔曼滤波器通过对非线性系统的状态转移和观测模型进行泰勒展开来近似电池等效电路模型中的内部参数值。无迹卡尔曼滤波器通过状态变量高斯分布的选定点进行非线性变换,提升了估计模型对电池这种高度非线性系统的拟合近似程度。优化算法兼顾了无迹卡尔曼对非线性化系统近似程度上的精度优势和长时间尺度修正在电池健康状态估计精度上的优势。 最后,搭建出基于BLE Mesh通信组网的无线电池管理系统,对本文研究设计内容进行实验验证。实验结果表明,系统电池状态数据采样精准,BLE Mesh多对多无线通信传输准确,可靠性良好,能够有效地便捷扩展系统算力。在不同电池工况下,用长时间尺度下的联合卡尔曼估计算法在电池健康状态估计中对比DEKF算法和AUKF算法,最大绝对误差分别降低了31%和25%,平均绝对误差分别降低了22.5%和25.3%。实验结果表明,在基于BLE Mesh网络搭建的系统平台上,本文所建立的优化算法估计电池健康状态具有更低的误差,更高的精度。

关键词： Σ-ΔADC   高精度ADC   数字抽取滤波器   CIC滤波器  

摘要： 本文围绕Σ-ΔADC在低功耗、高精度模数转换领域的研究与设计展开,旨在提出并实现一种适用于低功耗场景下的ADC设计方案,例如物联网、智能化设备等领域,以满足这些领域对转换精度高但转换速度要求相对较低的特殊需求。通过分析模数转换技术的发展背景及其在信号处理领域的应用趋势,强调了模数转换器（ADC）作为连接模拟和数字世界的关键技术,对其性能提出了更高的要求。文中对Σ-ΔADC的基本原理、优势及其在高精度和低功耗应用中的独特地位进行了阐述。 为此,本文提出了一种低功耗的Σ-ΔADC的设计方案,采用了三阶单环、一位量化的调制器和CIC滤波器、FIR补偿滤波器和半带滤波器级联的数字抽取滤波器组成Σ-ΔADC的整体结构,目标是实现20bit以上的转换精度,输入信号带宽为1.2KHz,采样频率为768KHz,同时将功耗控制在m W量级。作者详细介绍了设计方案中的关键技术,包括高效的数字抽取滤波器结构设计。根据方案设计的Σ-ΔADC过采样率为256,分辨率为24位。本文采用了Simulink进行系统级建模与仿真来验证设计性能,得到的信噪比为127.6dB,有效位数为20.90bits。 本研究以SMIC 180nm CMOS工艺为基础,通过逻辑综合、静态时序分析等步骤,进一步完善了数字抽取滤波器的硬件设计,从而保证了其可实施性和工艺兼容性。仿真结果得到的数字抽取滤波器的信噪比为123.3d B,有效位数为20.20bits。滤波器的版图面积为2.478mm2,功耗为19.9m W。通过结果表明设计达到了预期目标,展示了理想模型和电路级仿真输出的良好一致性。最后,本文总结了工作成果,并探讨了可能的改进方向和未来研究领域,如非理想因素的优化和低功耗技术的进一步研究,为Σ-ΔADC的发展和应用提供了有益的参考。