[發明專利]片上集成太陽能電池供電系統

無效

• 申請號: 201410012615.6
• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103762708A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 謝生;毛陸虹;張世林;韓聃;侯賀剛
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02J7/35
• 分類號: H02J7/35;H02S40/36
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明屬于太陽能技術領域，涉及一種與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容的片上太陽能電池，以及集成片上太陽能電池的電源管理系統，具體講，涉及片上集成太陽能電池供電系統。

背景技術

隨著全球生態環境不斷惡化，傳統石化能源的日益短缺，迫切需要一種清潔、無污染且供給豐富的新能源來推動人類文明和社會經濟的持續發展，這已成為世界各國持續關注和不斷探索的科學問題之一。

目前，學術界已報道了采用機械振動、溫度梯度及太陽能等多種能量獲取方式。與其他能量獲取方式相比，以光作為能量來源的太陽電池轉換效率高、技術成熟，無需交流-直流轉換，是一種取之不盡、用之不竭的綠色環保能源。當前，太陽能電池已占據了新型綠色能源市場的絕大多數份額。

得益于CMOS電路低功耗技術的不斷進步，對于射頻識別標簽和無線傳感網絡節點等周期性工作的微系統而言，芯片的總體功耗可控制在～百微瓦附近。因此，對于這樣的微功耗系統而言，利用太陽能實現系統能量的自動獲取成為可能。雖然采用常規的分立太陽能電池單元和電源管理電路可實現電子系統能源的自供給，但常規太陽能電池的制造工藝決定其無法與CMOS電路系統單片集成，因而整體系統的體積大、成本高，難以適應微型化的發展需求。

若采用與標準CMOS工藝兼容的微型太陽能電池與電源管理電路和微功耗系統單片集成，即可實現片上供電，降低系統體積和成本，又使系統的集成度和功能不斷提高。然而，受硅基標準CMOS工藝的限制，片上太陽能電池的襯底寄生二極管的反向泄漏損耗顯著，目前還難以找出有效的隔離方法消除襯底影響。因此，基于標準CMOS工藝實現的微型太陽能電池多采用單元并聯方式提高輸出功率，因而開路輸出電壓較低（通常在0.5V附近）。此外，太陽能電池的輸出特性具有非線性，其輸出功率受光照強度、環境溫度及負載情況的影響，因而采用太陽能電池難以直接驅動后繼負載電路的工作，需要在其后增加電源管理電路，實現穩定的輸出電壓。

發明內容

為克服現有技術的不足，提高片上供電系統的整體效率，為射頻識別、無線傳感網絡節點等微功耗系統提供持久、穩定的能源供給，為此，本發明采用的技術方案是，片上集成太陽能電池供電系統，包括：

一組太陽能電池單元，該太陽能電池單元由標準CMOS工藝制備，并采用金屬互連工藝實現并行連接；

一個能量收集模塊，該模塊包括環形振蕩器、多級串聯的電荷泵和一個儲能電容，其作用是將片上太陽能電池的輸出電壓升高，并將能量存儲在儲能電容C_S中；

一個控制電路，其作用是監控儲能電容兩端的電壓V_S，在儲能電壓V_S被提升到門限電壓V_H之前，控制電路的開關斷開，儲能電容C_S中斷向后繼電路提供能量，當儲能電壓V_S達到門限電壓V_H時，控制電路的開關閉合，儲能電容C_S通過線性穩壓器給負載電路提供穩定的工作電壓V_DD；當儲能電容C_S的能量泄放完畢后，控制電路的開關斷開，儲能電容C_S重新開始充電，重復上述過程；

一個線性穩壓器，包括啟動電路、帶隙基準和運算放大器，其作用是為負載電路提供穩定的工作電壓V_DD。

根據太陽能供電系統所驅動微系統的功耗和工作周期，儲能電容C_S可用片上集成的MOS電容、PN結電容或MIM電容實現，也可選用片外的傳統電容器。

根據負載電路工作電壓V_DD的大小，調節電荷泵的級數，以滿足負載電壓對儲能電容最大電壓值的要求，通過調節穩壓電路中負載電阻的比例，使輸出電壓穩定在V_DD。