关键词： 流水线ADC   无采样保持电路   动态比较器   增益自举  

摘要： 随着集成电路行业的发展,电路面积越来越小,用户们对设备的发热续航等要求专注度提高。模数转换器作为传感器芯片的核心电路,由于其高集成度和高性能要求,会使芯片功耗较大,造成芯片发热严重,进而影响其他电路的工作状态,导致设备续航缩短,性能偏差甚至失效。一个高分辨率和采样频率的模数转换器直接决定着设备对于信号处理的准确度,而流水线ADC作为一种复合型结构的模数转换器,能够较好地改进基础全并行flash ADC和逐次逼近型SAR ADC的缺点,在中分辨率高速低功耗模数转换器领域被大量应用。 本文围绕流水线ADC的功耗问题进行研究。首先采用无采样保持电路的结构,将流水线ADC系统功耗最高的采样保持模块去除,极大地降低了系统功耗。其次通过对流水线ADC系统功耗的组成进行分解,系统主要功耗由flash ADC内多个比较器和MDAC内运算放大器组成。因此当flash ADC模块内的比较器使用单级动态比较器时,可以省去各比较器的高带宽前级预放大运算放大器引起的功耗,这样将会使整个系统的平均功耗显著降低,通过对比较器电路的设计,比较器精度小于488μV,传输延迟时间小于300ps,输入失调电压小于125mV。另外由于流水线系统存在余差运算放大器,需要将上一次量化后的余值放大传输给下一级进行下一次量化,为了解决该运算放大器摆幅要求过高的问题,因此对MDAC引入半位冗余算法,实现运放的输入输出摆幅减半。最后本文通过对开关电容共模反馈的增益自举运算放大器进行研究,在原有运放的基础上提出动态工作的结构,进一步降低流水线ADC系统的功耗。 本文基于55nm CMOS工艺,在3.3V的电源下完成了 12bit 100Msps流水线ADC的电路设计,系统整体版图面积455μm×260μm。通过仿真验证,静态参数可实现DNL≤0.8LSB,INL≤1.6LSB。动态参数在频率24.90234375MHz的输入信号下,SNR为66.208dB,SFDR为80.861dB,且系统的平均功耗仅为64mW,相较于同指标系统有明显改善。

关键词： 低功耗蓝牙   医疗设备   异常数据检测   孤立森林算法   增量学习  

摘要： 在技术进步的助力下，低功耗蓝牙医疗设备现已成为现代健康监控领域的关键要素。低功耗蓝牙作为低功耗蓝牙医疗设备的主要通讯手段，它允许低功耗蓝牙医疗设备与其他设备,如智能手机或平板电脑，进行数据传输和交流，同时保持低电量消耗，从而延长设备的使用寿命。这对于需要持续监测健康状况并实时传递数据的低功耗蓝牙医疗设备来说尤为重要。然而低功耗蓝牙医疗设备的异常检测仍然存在计算效率不足、无法增量处理以及多维数据检测效果差的问题。　　针对以上问题，本文采用了基于增量孤立森林算法的高效异常检测模型。首先通过采纳计算复杂性线性的孤立森林算法，减少了对设备资源的依赖，提高了异常检测效率。然后通过子森林渐进更新式策略的引入,使得模型能够根据新数据实时更新，显著提高了数据流环境中的适应性与灵活性。接着，为了促进异常检测模型对多维数据以及时序性数据的有效处理，采用滑动窗口技术，将数据暂存并可对窗口内的数据特征进行分析，从而增强了算法对各类健康数据的异常检测能力。最后，采用了Kafka分布式框架，使得模型在高吞吐量的流式数据中也能表现出良好的效果。　　全面的实验评估显示，本文提出的策略在处理时间上较传统算法有显著优势，尽管在内存消耗上略有增加。特别地，对心电图(ECG)信号的异常检测实验证明，本策略在灵敏度、特异性和整体准确度上都优于现有的深度学习方法，说明了本文策略可以实现多维数据的异常检测。因此,本文提出的增量异常检测,对低功耗蓝牙医疗设备的异常检测应用场景有着显著的实际意义。未来工作将聚焦于进一步降低算法的内存消耗，并将此方法应用于更广泛的低功耗蓝牙医疗设备中以验证其效果和进行优化。

关键词： CT取电   低功耗   数据传输   云平台   仿真  

摘要： 随着国家电网的快速布局扩充,保证电力系统安全稳定的运行显得格外重要,实际生产生活中,很多电力输送在山地、野外等一些环境恶劣的地方,同时为了给城市输电,在城市郊区也会有很多室外输配电进线,由于这些输配电线缆分布较广且所处的环境较为复杂,线缆状态需要依托技术人员的巡检与运维,人工巡检的方式需要耗费大量的人力物力财力,采用监测设备可以减轻巡检人员的工作压力,所以对电缆进行远程监测是非常有必要的。 为满足电力网可靠性的需求,针对传统取能方式供能不足或不能持续供电的问题,提出了采用非接触式的电流互感器CT(Current Transformer)取能和锂电池双路供电的方式,提供稳定的电能供给后续的设备达到不间断供电并降低能耗。针对传输距离远的问题,以电脑为查看端,温度传感器和电流互感器为采集端,在采集端通过ADC芯片对信息进行分析和处理后,将处理结果通过4G通信模块发送至有人云平台。该系统主要包括自供电电源模块、采集模块、无线传感模块,成功实现了自供电、无接触式采集和云端数据实时显示的功能。本文所做工作如下: (1)根据电缆状态实时监测的要求,确定了系统的总体设计方案。对CT取能进行了详细的理论分析说明,从取能方式的优缺点、磁芯材料、尺寸及气隙参数来探讨抑制磁芯饱和的方法,再对功率特性进行理论分析,并利用COMSOL软件进行建模仿真验证。 (2)优化电路做出硬件选型与设计。当取能功率足够时,可同时给锂电池和负载供电;取能不足时,由锂电池向负载供电。对硬件电路进行低功耗设计,对整个电路硬件做小型化设计,提高了供电的可靠性,具有一定的实际工程应用价值。 (3)在软件设计方面,程序设计内容主要包含主控端的系统初始化、串口单元、温度采集设计、与云平台的连接设计等。选用现代化数据管理云平台,利用云平台能够有效地实时地监测和管理采集设备的状态,可随时进行数据查询、数据存储、报警设置、报警推送等。 (4)对系统进行实验测试。搭建实验平台,包括电源供电测试、采集数据测试、实时监测测试。在测量0～500 A的电流过程中,电源均能稳定运行向负载可靠供电,云平台显示的监测数据结果表明本文设计的自供电的电缆状态远程实时监测系统供电功率可达10 W,整个系统平均功耗在33 m W左右,电流监测误差在0.3%以内,具有采集精度高、功耗低、成本低、通信实时性好等特点,可满足实际工程需要,具有较高的实际应用价值。 本设计涉及多个领域,包括无线通信,电路原理,物理材料特性,仿真设计等,旨在使用更低的成本实现更创新的功能,未来无论是在远程监测电缆或是其他设备等方面提供新的思路。

关键词： 手持终端   小型化   低功耗   通信  

摘要： 随着蜂窝移动通信的发展，地面手持终端在高速数据支持能力及应用扩展能力上也飞跃式提升，终端硬件处理能力及软件复杂度不断升高，导致手持终端的小型化低功耗设计成为影响产品力的关键因素。尤其是随着卫星导航、卫星通信、近距离传输等技术的不断进步，在如今的商用手机中天地一体的多模通信成为各大手机厂商竞争的焦点，这给手持终端的小型化低功耗设计提出了更高的要求。本文针对手持终端的小型化低功耗技术进行探析。

关键词： 22nm   低功耗   UPF   功耗优化   静态低功耗验证  

摘要： 导航芯片作为便携式导航产品发展的核心部件,随着消费者对导航产品性能需求的攀升,其芯片工艺制程也越来越先进。但先进工艺的更高时钟频率以及更小的晶体管尺寸必然造成功耗急剧增加。实现功耗的降低不但可以增加产品的能耗比,也会减少设备所需的散热系统成本。在便携式产品快速发展的趋势下,低功耗设计已成为集成电路设计的热点研究方向。 本文基于TSMC 22nm工艺,以导航芯片中的DMAREQ＿2模块为研究对象,该模块划分了三个电压域,最高时钟频率702Mhz,规模为298万门。基于一种用于描述芯片电源的统一功率格式文件UPF(Unified Power Format)设计模块的电源网络信息,应用Synopsys公司的Design Compiler和ICCⅡ工具完成模块的逻辑综合与后端物理设计实现。使用Synopsys的VC LP工具对设计进行全面静态低功耗验证。并通过Cadence公司的LEC工具完成功能一致性检查,最后借助Prime Time-PX进行功耗签核分析。本文主要研究成果如下: 1.基于低功耗需求编写模块的UPF文件,对设计完成逻辑综合功能仿真,分析综合后的时序与功耗情况,评估综合质量。调整时序约束文件中的clock＿uncertainty,在时序收敛的前提下整体功耗由0.0799w减少到0.0792 w,优化约0.88%。调整门控时钟的最大扇出由32设置为64,重新综合后门控时钟单元减少297个,时钟网络功耗优化1.2%,整体功耗优化0.75%。 2.完成基于UPF的低功耗物理设计流程后,提出三种物理设计功耗优化方法。第一,改进传统的FFP布局规划流程,提出混合FFP布局规划方案,添加供电网约束、自动宏单元对齐等调整措施,重新进行物理设计,混合FFP有更好的布线拥塞和时钟树绕线质量,与传统布局相比静态功耗、动态功耗和整体功耗分别降低了38%、32.2%、29.2%。第二,对电源开关单元摆放采用交叉式,对比传统对齐式摆放,单元数量降低215个,整体功耗优化9.6%。第三,优化物理设计使用的多阈值器件比例,SVT器件占比下降0.32%,总体阈值器件数量下降了322615个,整体功耗优化16.1%且优化了hold时序违例。 3.改进标准UPF设计流程,提出一种V-UPF(Verfiery-UPF)物理设计流程,在逻辑综合之后对设计进行全面静态低功耗验证,避免设计存在错误进入物理设计环节,在物理设计后再次验证,保证全流程低功耗设计的正确性。 4.基于V-UPF物理设计流程,使用VC LP工具在物理设计前后分别进行静态低功耗验证,在物理设计前及时发现有关隔离单元的错误,避免了物理设计后纠错的时间成本。通过LEC工具检查低功耗设计前后的功能一致性。用PTPX工具对有采用了所有优化方法和优化流程后的设计在峰值功耗模式下进行功耗签核,不同PVT环境,总体功耗最多降低37.4%,静态功耗和动态功耗最多降低为51.6%和37.4%。 本设计的导航芯片已在TSMC完成流片,本文提出的多种低功耗优化方法以及V-UPF物理设计流程可以为先进工艺节点的低功耗设计提供一定的技术参考。

关键词： 保护芯片   锂电池   低功耗   实时监测系统   BCD工艺  

摘要： 随着信息化社会的快速发展,大量的电子产品得以涌现,锂电池凭借其低重量、小体积和高供电电压的优势,已成为目前的主流供电选择。但若锂电池在使用过程中出现电压或电流的异常,其内部结构的缺陷会导致锂电池的供电性能减弱,甚至出现爆炸的危险。因此,合理设计适用于锂电池的实时监测系统是十分必要的。 本文设计了一款可应用于单节锂电池的充放电保护系统,其内部主要包括带隙基准模块、振荡器模块、数字逻辑模块、电压电流检测模块、短路检测模块和锂电池0V充电模块。系统通过对各端口进行电压采样,实现了过充保护和过放保护功能。本系统的正常工作电压区间为3.0V至4.3V,最大承载电压为10V,正常工作温度区间为-40℃至85℃。使用Spectre和Hspice分别对系统子电路和系统整体进行仿真验证后可得:带隙基准模块在TT工艺角下的温漂系数为27.34ppm,且该模块内部的5级修调控制网络可提供每级约6m V的电压偏移;振荡器模块在TT工艺角下的振荡周期为46.281μs;过充电压保护模式与过放电压保护模式的检测阈值分别为4.28V与3.01V;电压保护模式、电流保护模式与短路保护模式下检测阈值的精度范围分别为±75m V、±15m V和±200m V;各保护模式延时时间的精度范围为±60%。 在系统子模块与系统整体的仿真参数均正确的前提下,本文选用0.18μm BCD工艺,使用Cadence Layout Editor完成了本系统的版图设计,并成功通过了DRC和LVS的检测,完成了锂电池保护芯片的流片。实测结果显示,该系统的正常工作电流和低功耗模式下的静态电流分别为2.336μA与0.341μA,且其余各参数均符合设计指标要求。

关键词： 降压型DC-DC转换器   ACOT控制模式   低功耗   高效率  

摘要： 随着电子行业的不断发展,各种电子器件和芯片都朝着小型化发展,伴随着尺寸的减小,各种电子器件的功耗不断上升,对于电源管理芯片同样意味着将朝着更高的效率、更低的功耗以及更小的尺寸发展。在不同的领域中对于电源管理芯片的性能要求也有所不同,航天航空领域对于开关电源的可靠性和稳定性要求十分严格,便携式设备的需求则是低功耗。本文的主要目的是设计一个高效率、低功耗的Buck转换器芯片。 DC-DC转换器作为直流输入直流输出的电源电路,能为电子设备提供稳定的输出。为DC-DC选择不同的控制模式,可以使其正常工作在不同场合下。一般常用的控制模式是电压模式控制和电流模式控制,但这两种控制方式存在电路复杂、系统稳定性差的问题。因此我们找到了一种COT的控制模式,其结构简单,可通过固定导通时间实现快速瞬态响应。不过COT控制模式也存在不足,由于它的导通时间固定,使其开关频率不稳定;另外,它需要较大的输出电容,考虑到尺寸和成本,COT控制模式并不适合在市面上推广。最终,在众多控制模式中选择了ACOT控制模式——自适应恒定导通时间控制模式,其导通时间随输入输出的变化自行调节,开关频率恒定,解决了COT控制模式的不足,并具有良好的瞬态响应和更高的转换效率。 本文首先介绍了DC-DC的三种拓扑结构,详细研究了同步降压型DC-DC转换器的基本原理和工作模式等,并对其功耗来源和提升效率的参数选型进行了分析。对所采用的ACOT控制模式进行了介绍,并对其稳定性和直流失调问题进行分析。基于预期的设计要求,对转换器的关键子模块进行了详细的分析、设计,并进行了仿真验证。经过验证,各个子模块性能均能满足设计需求。 最后,本文采用0.18μm BCD工艺,对电路的整体性能进行仿真验证。验证结果表明,该转换器具有1.8V-4V的输入电压范围,输出范围为0.6V-2V,开关频率约为1MHz,最大负载电流为2A,Buck的静态电流约为4.15μA,并且在最小输出电压也有80%以上的转换效率,该转换器实现了低功耗高效率的设计目标。

关键词： 局部放电   无线定位   RSSI   低功耗  

摘要： 局部放电定位作为电力设备绝缘故障检测的重要手段,能够在高压电力设备发生绝缘故障的初期对其进行检测并找到故障发生位置,避免设备绝缘性能进一步恶化,对电力系统安全运行有着重要意义。本文围绕低功耗、高精度的性能需求,研发了基于接收信号强度指示(RSSI)的电力设备局部放电无线定位系统。 提出了弦相交加权质心定位算法,对局放源位置进行分步定位。组内定位阶段将传感节点三三分组,连接组内三圆中两两圆的交点得到三条公共弦,弦线所在直线将交于一点,将该点作为组内定位结果。全局定位阶段将各组定位结果进行加权质心计算出局部放电源所在位置坐标,权值的大小由组内三节点与局放源距离决定。弦相交加权质心算法解决了三边质心在复杂环境下定位误差较大的缺点。 由宽带天线、信号处理模块、积分置换电路、MCU主控芯片以及无线通信模块组成无线传感终端,对局部放电特高频信号进行采集与处理;中心节点通过低功耗Lo Ra无线通信技术汇集网络中各传感终端传输的数据;最后通过监控主机进行定位运算并显示局部放电位置坐标。根据局部放电脉冲信号特征设计了积分置换电路,通过脉冲积分充电、复位放电将局放脉冲能量置换为电路复位次数,无需高速A/D模数转换器等复杂硬件结构完成了对传感终端与局放源间距离的测量,避免了大数据量的存储、通信和处理,减小了系统无线通信负担,降低了系统功耗。 经定位实验测试,局部放电无线定位系统在室外环境和室内环境中通过弦相交加权质心算法对局放源定位的精度分别为95.55%和88.34%。弦相交-加权质心算法定位精度与三边质心、加权三边质心、最小最大法、极大似然估计法、蚁群算法、粒子群算法及遗传算法相比均有一定提高。测试结果表明本文设计的电力设备局部放电RSSI定位系统性能良好。