一种基于接收信号强度指示策略的射频能量收集器
一种基于接收信号强度指示策略的射频能量收集器
马祺云 ，许江涛，覃正才
摘要：基于 0.18μm SMIC RF CMOS 工艺，采用最新的低电压低功耗高效率的差分驱动CMOS 整流器结构单元，设计了应用于无线体域网（WBAN）的无直流电源供电的射频能量收集器。提出通过接收信号强度指示的策略，来提升射频能量收集器对无线体域网中的射频能量的收集效率，扩大射频能量的可接收范围。基于这一技术，设计的射频能量收集器可以接收与转换 -8 dBm~10 dBm 的射频信号，输出 2 V 的较稳定电压，在-5 dBm 电压转换效率 VCE 达到 84.8%，能量转换率达到 16.7%。
关键词：集成电路设计；无线体域网；射频能量收集；差分驱动 CMOS 整流器
中图分类号：TN402；TN929.5 文章编号：1674-2583(2018)07-0001-05
DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2018.07.001
中文引用格式：马祺云，许江涛，覃正才.一种基于接收信号强度指示策略的射频能量收集器[J].集成电路应用, 2018, 35(07): 1-5.
A RF-to-DC Energy Harvester Based on Received Signal Strength Indication Strategy
Ma Qiyun, Xu Jiangtao, Qin Zhengcai
Abstract: A RF DC energy harvester without DC power supply using a structure of the latest high-efficiency low-voltage and low-power CMOS differential-drive CMOS rectifier is presented in this work, which is applied to Wireless Body Area Network (WBAN).The circuit is implemented in a 180 nm SMIC RF CMOS process. To improve the efficiency of RF energy collector to collect radio frequency energy in the WBAN, a Received Signal Strength Indication (RSSI) strategy is proposed, which has a remarkable contribution in expanding the receivable range of RF energy. Based on this strategy, -8 dBm ~ 10 dBm RF signal can be received and converted into a stable DC output of 2 V.At the input power level of -5 dBm , the proposed energy harvester achieves a peak voltage conversion efficiency of 16.7% and a peak power conversion efficiency of 16.7% in the simulation.
Key words: integrated circuit design, WBAN, RF energy harvesting, differential-drive CMOS rectifier
1 引言
随着现代微电子技术与无线通信系统的飞速发展，兴起于医疗电子技术领域的无线体域网（WBAN），在健康监测，疾病防治等诸多领域发挥着巨大的作用[1]。实现无线体域网的一个关键挑战就是通过射频能量收集技术实现无线电系统的自主工作，实现电路能量自给，同时保证能量收集器与无线收发机的兼容性。同时为了提高使用寿命，保证电路对人体安全性，无线体域网的节点供电电压一般较低。因此，设计出低电压低功耗高效率的整流器极其重要。
基于文献[2]提出的差分驱动 CMOS 整流器结构，文献[3]提供了一个采用 0.13 μm 的含电源管理电路的能量收集器，对于节省芯片面积降、低电路成本起到了很大的作用。该文献提供的能量收集器仍存在以下问题：第一，能量收集器的射频开关不对称使得差分电路产生失配。第二，高频信号将大大降低电路的整流效率和 PCE，电路无法整流较小信号，而对较大射频信号的抬高则可能损坏后续电路。电路可接受信号幅值受限制，使得后续系统得不到有效的电源供给。
针对文献[3]整流器无法全范围兼顾所有信号的局限性，本文提出了将接收信号强度指示策略（Received Signal Strength Indication ，RSSI）应用于射频能量收集器，对不同的信号强度选择最佳的整流方式，在射频功率收集范围有所增加的同时保证了输出电压的稳定性。可以接收与转换 -8 dBm～10 dBm 的射频信号，输出 2 V 的较稳定电压，在 -5 dBm 电压转换效率 VCE 达到 84.8%，能量转换率达到 16.7%。
2 电路设计
本文工作主要包括以下三个部分：首先将介绍能量收集核心电路 CMOS 主整流器以及开启整流器的电路架构与工作原理；然后结合对无线体域网射频信号的研究；最终完成了一个基于接收信号强度指示策略的射频能量收集器的整体架构设计。
2.1 差分驱动 CMOS 整流器设计
在射频能量收集整流器中，整流器负责将天线收集到的低幅值射频交流电逐级抬高，转化为直流电，供给后续系统。差分驱动 CMOS 整流器结构可以将压降损耗压缩到一个 MOS 管的阈值电压 VTH[2]，相对而言电路结构简单， MOS 管的数量少，易于级联，这可以极大程度节省芯片面积、降低电路成本。因此，差分驱动 CMOS 整流器结构是低压环境射频能量收集装置的最佳选择。提高整流器的转化效率是能量收集器设计的关键点，它将直接决定整个系统的效率，与后续系统的供电电压大小。射频能量收集器中包含两种不同功能的整流器：开启整流器与主整流器。
主整流器单元负责射频-直流转换，是能量收集器的主体。主整流器单元的示意图如图 1。对于低于阈值电压的输入射频信号，没有电流流过单元晶体管，此时 MOS 管为高阻抗状态。随着输入电压增加，一个周期性的电流开始流过单元晶体管，MOS 管的输入电阻减小。当输入差分射频信号 VRX+ > VTH，VRX- < -VTH 时， MP1 和 MN2 导通，MP2和 MN1 截止，电流流经 MP1 与 MN2，为 VDC,out 节点充电。而当差分射频信号 VRX- > VTH，VRX+ < -VTH 时，MP2 和 MN1 导通，MP1 和 MN2 截止，电流流经 MP2 与 MN1，继续为 VDC,out节点充电，从而该整流器可以将输入交流电的负半周期转换为正向电压。通过主整流器单元的级联，输入交流射频信号被转换为正向直流信号，完成接收器对射频能量的收集。
图 2 显示，整流器的输入阻抗 RP,rect 是整流器的输入功率 Pin 的函数，通过选择相应的晶体管宽度，主整流器设计为在 -5 dBm 输入功率下匹配 1 kΩ 射频阻抗。为了在低输入功率水平下匹配整流器，我们将需要较大的宽度降低输入阻抗。
开启整流器是将能量收集器和无线体域网其他应用相互隔离的开关，其原理如图 3 所示，使用一个 NMOS 晶体管作为传递装置，通过一个整流器单元将输入射频信号转化为所需的正的直流栅源电压。信号 disable 为高时晶体管 Mc 导通，将漏端电压拉低，整流器输出电压为低，晶体管 Mpass关断，射频能量收集器关闭。信号 disable 为低时晶体管 Mc 关闭，射频信号通过耦合电容 Ccpl 和整流器抬高，只要输入射频信号足够大，晶体管Mpass 就能打开，射频能量收集器开始工作[4]。由于开启整流器的负载只有晶体管 Mpass 的栅端电容，因此它不需要很高的驱动能力，尺寸可以很小。但开启整流器必须保证充电通路的完全关断，以避免无线体域网其他应用传输无线信号时被能量收集器的转换回直流。
本文在文献[3]的基础上进行了改进，采用两个对称的晶体管 MN3 和 MN4 作为开启整流器的开关，有效地消除了文献[3]中开启整流器开关源体短接引起的差分电路失配，从而大幅改善整流效率。开启整流器工作原理如图 4 所示，当 TX 处于活动状态时，无线发射机使能端 TX_enable控制将禁止信号 disable 拉高，关断晶体管 MN1 和 MN2，有效地短路了两个内部节点，并建立一个虚地。此时整流单元的射频输入阻抗由 2 个耦合电容 Ccpl 和晶体管 MN3 和 MN4 的导通电阻的串联阻抗提供。为了降低功耗，晶体管 MN3 和MN4 做得足够大，以降低输入阻抗。
另一方面，当 disable 为低时，MN3 和 MN4 会增加整流器内部节点上的寄生负载，导致效率的降低。因此，禁止开关只适用于开启整流器单元，但不适用于主整流器单元。剩余的器件应接近最小尺寸以保持射频节点的容性负载尽可能低。
2.2 无线体域网射频信号的传输损耗
在射频能量收集过程中，射频输入信号的功率与幅值都会对整流器的工作条件进行限制。射频输入信号的功率 P 与幅值 V 相互关联，两者关系可用公式（1）描述，
（1）
差分天线的特征阻抗约为 100 Ω。我们可以得到功率（单位 dBm）与射频信号电压幅值（单位mV）的转换公式（2）和公式（3）。
（2）
（3）
射频信号在空间传播时，会受到障碍物的反射，导致射频信号幅度的衰减、相位的移动、延时产生、以及频率的变化(多普勒效应)，这些都将对通信的质量产生非常重要的影响[5]。对于室内传播，典型的路径损耗关系是 1/r4。在反射、吸收和衍射的共同作用下，无线射频信号在室内传播的衰减为 10～20 dB。射频能量收集器的能量存储装置可以采用固态薄膜锂电池，固态薄膜锂电池可以提供高能量密度和低自放电电流，充电电流通常为μA 量级。
另外一种常见的能量存储装置，超级电容器，通常也存在类似数量级的泄漏电流。对于 1.8 V SMIC 工艺的电源电压，充电锂电池需要至少 50μW 量级的最小直流功耗，因此，如果考虑转换损耗在内，天线输出功率需要至少 200 μW（-7 dBm）的入射射频功率以用于射频能量收集。综上，射频能量收集器的设计能量收集范围为 -8 dBm～10 dBm.
2.3 基于接收信号强度指示策略的射频能量收集器的设计
由于射频信号幅度动态范围很大，采用简单的级联差分驱动 CMOS 整流器得到的整流器电路难以覆盖射频信号大的动态范围：对于幅度较小的信号，后续系统得不到有效的电源供给；同时对于幅度大的信号，整流输出直流电压超过后端管可承受电压，将导致后端电路的损坏。
为了克服输入信号幅度大动态范围导致的问题，本文提出了通过对输入接收信号强度（RSSI）进行监测，然后按输入射频信号强度进行分段处理，针对不同的输入信号范围选用不同的整流器进行射频-直流转换。这样的处理方案既保证这个整流电压高于所需电压输出，又保证这个整流电压不超过后端晶体管耐压，不致损坏后端电路[4]。由于整流器的输出直流信号与输入射频信号的幅值成正比，且与整流单元级联数目成正比，根据前面对整流器性能的研究，本文对可接收范围的信号进行了分段，如表 1 所示：-8 dBm～-6 dBm 的信号输入 12 级主整流器进行整流输出，-6 dBm～2 dBm 的信号输入 5 级主整流器进行整流输出，2 dBm～10 dBm 的信号输入 2 级主整流器进行整流输出。对信号的分段处理保证了所有射频信号输入都可以通过射频-直流转换系统得到适中的整流电压。
实现射频信号的分段处理的 RSSI 选择比较电路如图 5 所示。首先利用单级开启整流器对输入信号进行整形，以单级开启整流器的输出电压作为输入射频信号时每级整流器抬高电压的一个指示输入 RSSI 选择电路用于信号分段处理。例如输入 -4 dBm 的射频信号，经过 2:6 的变压器信号幅值为 600 mV，经过开启整流器单元整流电压为 507 mV，RSSI 选择电路输出 V111 为高而 V001 与 V111 为低，控制开关管 M3 和 M4 打开，而 M1、M2、M5、M6 关断。只有 Vrect2 输出整流信号。
3 仿真结果
基于 SMIC 0.18 μm RF CMOS 工艺，对所设计的射频能量收集器进行仿真分析。由图 6 射频能量收集器的输出信号电压特性可以看到，12 级主整流器与 2 级主整流器结构关断，输出射频信号几乎为 0，而 5 级主整流器结构实现了将输入射频信号整流至 2 V 的功能要求，信号在 2μs 后开始稳定的对负载电容进行充电，并在 30μs 左右充满一个 1 nF 的电容。
图 7 给出了射频能量收集器在不同输入射频功率范围下的电压转换效率，电压转换效率 VCE 在 -5 dBm 达到 84.8%，对于 2.4 GHz，- 8 dBm～5 dBm 的射频信号，整流器均有 70% 以上的电压转换效率。
图 8 为能量利用效率 PCE 随输入射频信号功率的变化。能量利用效率随输入射频信号功率增加而提高，在 2 dBm 达到 20.3% 的极值。由于输出电压的升高将使得整个电路的直流功耗增加，这也将改变整流器的输入阻抗。输入阻抗的改变使端口处和外部电路不匹配，有部分的射频能量被反射回去，所以能量利用效率随输入射频能量增加而升高的速度开始变缓甚至降低。
4 结语
本文对无线局域网中的射频信号进行研究，采用最新的低电压低功耗高效率的差分驱动 CMOS 整流器结构的整流器，提出了将接收信号强度指示的策略应用于射频能量收集器，提升了射频能量收集器对无线体域网中的射频能量的收集效率，扩大了射频能量可接收范围。
该射频能量收集器可以接收与转换 -8 dBm～ 10 dBm 的射频信号，并输出 2 V 的较稳定电压，在 -5 dBm 电压转换效率 VCE 达到 84.8%，能量转换率 PCE 达到 16.7%。
参考文献
[1] Hsiang-Ho Lin,Mei-Ju Shih,Hung-Yu Wei,Rath Vannithamby.DeepSleep: IEEE 802.11 enhancement for energy-harvesting machine-to-machine communications[J].Wireless Networks. 2015(02).
[2] Kotani S, Sarpeshkar R. Low-Power CMOS Rectifier Design for RFID Applications[C].Solid-State Circuits Conference,2008，A-SSCC '08 IEEE Asian，2008-11:105-108.
[3] Masuch J, Delgado-Restituto M, et al. An RF-to-DC energy harvester for co-integration in a low-power 2.4 GHz transceiver frontend[C].Circuits and Systems (ISCAS),2012 IEEE International Symposium on，2012-05:680- 683.
[4] Masuch J, Delgado-Restituto M, et al. Ultra Low Power Transceiver for Wireless Body Area Networks[M].New York: Springer, 2013:54-103.
[5] 射频信号的传播与衰落[EB/OL].(2012-05-28)[2018-05-10].http://www.docin.com/p-411285643.html．
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