用于物联网的自供电高性能光频传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于物联网的自供电高性能光频传感器；其特征在于：包括能量采集系统、电源管理电路以及光频传感器核心电路；本发明专利技术针对传统的光频传感器功耗高，不适用于物联网的问题，特别是在低光照以及高温度条件下，性能明显退化的缺点，创造性的提出了能用于物联网的自供电低功耗高性能光频传感器，在保证高性能的同时实现了用于物联网的需求，解决了电池供电光频传感器用于物联网的瓶颈问题。

【技术实现步骤摘要】
用于物联网的自供电高性能光频传感器
本专利技术涉及集成电路设计领域，具体来讲是一种用于物联网的自供电低功耗，高动态范围光频传感器。
技术介绍
光频传感器广泛用于数据采集，工业控制，环境监测等应用中，但是目前能用于物联网中的光频传感器非常少，因为要用于物联网中，必须对传感器有低功耗，小体积严苛要求。加上电池寿命有限，更换电池成本较高，传统的电池供电成为光频传感器用于物联网的一个瓶颈。而收集环境光能量并转化为电能为光频传感器节点供电成为一种有效的方式，可以让光频传感器更适用于物联网中。传统的光频传感器有一些不足之处，使之难以用于物联网中；第一个问题是在低光照高温时，性能表现不佳，主要由于高温和低光照时，光电二极管的暗电流急剧扩大，严重影响了光频传感器的动态线性响应范围。第二个不足是为了提高性能，往往电路结构复杂，功耗过高，不适合低功耗物联网使用。比如为了减小暗电流，不少光频传感器采用图1中结构，做为光电流采集前端电路，虽然在理想情况下，可以将光电二极管的反偏电压限制为0，从而降低暗电流，但是实际上由于运放的失调电压影响，还是会存在暗电流，除非采用先进技术，比如斩波稳零技术或者共模反馈技术来设计一个非常低失调电压的运放，但是增加电路的复杂性，增大了功耗，不适合自供电的低功耗应用场景。第三个缺点是面积过大，导致成本升高。工业界许多产品采用暗电流抵消技术，如图2中的结构，它的工作原理如下：采用两组光电二极管PD_1和PD_2，PD_2用来检测环境光产生电流I1，I1中其实包含两部分电流一个是与光照成正比的电流Ilight，另一部分就是自身的暗电流I’dark。被金属覆盖的PD_1用于产生暗电流Idark，暗电流Idark被PMOS管M1和M2镜像生成Idark_r，在A点根据基尔霍夫电流定律可以得到：I1-Idark_r＝I2_r(公式1)Ilight+I’dark-Idark_r＝I2_r(公式2)如果两组光电二极管的面积一样，它们的暗电流大小理想情况下也是一样，当M1与M2的宽长比是一致的，则I’dark＝Idark_r因此，公式2可以改写为：Ilight＝I2_r(公式3)这样光电二极管PD_2自身存在的暗电流I’dark就被抵消掉了。再把I2_r复制成I2提供给后面的电流频率转化电路，这样检测到的电流I2中就可以消除暗电流的影响。但是它的缺点就是多采用了一组光电二极管PD_1，严重增大了面积。而且在低光照，高温时，性能也会受到很大影响。
技术实现思路
因此，为了解决上述不足，本专利技术在此提供一种用于物联网的自供电高性能光频传感器；本专利技术针对传统的光频传感器功耗高，不适用于物联网的问题，特别是在低光照以及高温度条件下，性能明显退化的缺点，创造性的提出了能用于物联网的自供电低功耗高性能光频传感器，在保证高性能的同时实现了用于物联网的需求，解决了电池供电光频传感器用于物联网的瓶颈问题。本专利技术是这样实现的，构造一种用于物联网的自供电高性能光频传感器，其特征在于：包括能量采集系统、电源管理电路以及光频传感器核心电路；所述能量采集系统是利用光电二极管阵列来收集光能，利用最大功率点追踪(MPPT)技术,提高光能转换效率；经过后续直流转换直流电路(DCDC)升压和低压差线性稳压器(LDO)稳压后为光频传感器核心电路供电；所述电源管理电路主要包括MPPT模块、LDO、DCDC和四个电容；其作用是为光频核心电路提供电源；所述光频传感器核心电路包括两大部分，第一部分是光电流检测电路，第二部分是电流转频率电路(I/F)，将检测到的电流转化为成正比的频率信号。作为上述技术方案的改进，所述用于物联网的自供电高性能光频传感器，其特征在于：电源管理电路的实现过程如下；由电容CDD给MPPT和DCDC供电，而CST做为超级电容用于能量存储和为LDO供电，这就允许CDD选用容值小的电容来确保电源管理电路更快的激活；电容Cbuf用作MPPT的能量缓冲器，CREG为LDO提供环路稳定性补偿和滤波。因为环境光能比较微弱，能量采集系统提供的电压VDC一般小于300mV，达不到MPPT和DCDC的工作电压，需要一个启动电路，启动电路里集成了电荷泵和欠压保护电路，电荷泵的作用是将CDD预充电到VDDmin，当欠压保护电路检测到VDD>VDDmin后，发出使能信号，让DCDC正常工作，否则关闭DCDC；一旦DCDC正常工作，就关闭启动电路，降低功耗；关闭启动电路后，CDD由DCDC继续充电充电到VDDtypical，这个值高于VDDmin，当DCDC里面的内部控制逻辑单元检测到电压VDD>VDDtypical，切换输出通道让DCDC给超级电容CST充电，当电压VDD<VDDmin时，输出通道再切换回来给CDD充电；这时光能都储存于超级电容CST中，LDO的作用是得到一个稳定并且合适的电压值VREG，为光频核心电路提供电源。作为上述技术方案的改进，所述用于物联网的自供电高性能光频传感器，其特征在于：光电流检测电路包括光电二极管PD_1、PD_2、MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6、运放A1、运放Ar1；光电流检测电路运行时利用被金属遮盖的光电二极管PD_1来产生暗电流，来抵消掉正常接收光照的PD_2中的暗电流；由MOS管M5和运放A1构成负反馈结构，运放A1的“+”端接地，那么光电二极管PD_1的反偏电压就只剩下运放的失调电压VOS，再镜像复制出一个和A1一样的运放Ar1用于钳位光电二极管PD_2的电压，两个MOS管M5和M6也是同样的宽长比，这样两组光电二极管产生的暗电流都非常小，而且由于两个运放电路A1和Ar1一样，它们的失调电压随(工艺-电压-温度)PVT的变化也是一样，这样失调电压偏差造成的暗电流也会被抵消掉，所以两组光电二极管在温度和反偏电压一致的情况下，产生的暗电流是一样的，尽管也会存在失配等非理想因素，但是因为暗电流本来已经很小了，抵消掉光电流中的暗电流后，检测到的电流I2中存在的暗电流成分就非常低了，几乎可以忽略了。作为上述技术方案的改进，所述用于物联网的自供电高性能光频传感器，其特征在于：光电二极管PD_1的面积降为PD_2的1/N，使其光电二极管PD_1产生的Idark的值也只有PD_2产生的暗电流I’dark的1/N；让MOS管M2的宽长比(W/L)是MOSM1管宽长比(W/L)的N倍，使其镜像后的电流Idark_r依然和PD_2产生的暗电流一样大。作为上述技术方案的改进，所述用于物联网的自供电高性能光频传感器，其特征在于：电流转频率电路包括充电电容C、比较器comp、施密特触发器(schmitt)和反相器链(invchain)；其中，比较器comp采用低功耗的两级运放结构，M7为PMOS管开关，施密特触发器(schmitt)和反相器链(invchain)构成延迟电路；工作时，由电流镜得到的镜像电流I2为C充电，当达到比较器门限Vref时，将产生控制信号VP，经过施密特触发器波形整形反相器链延迟后得到频率输出信号Vout，当充电后，电压VC>Vref，比较器输出低电平信号VP，Vout和VP极性一致，也是低，反馈回来控制PMOS管M7导通放电，当电容C的电放完之后，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于物联网的自供电高性能光频传感器，其特征在于：包括能量采集系统、电源管理电路以及光频传感器核心电路；所述能量采集系统是利用光电二极管阵列来收集光能，利用最大功率点追踪(MPPT)技术,提高光能转换效率；经过后续直流转换直流电路(DCDC)升压和低压差线性稳压器(LDO)稳压后为光频传感器核心电路供电；所述电源管理电路主要包括MPPT模块、LDO、DCDC和四个电容；其作用是为光频核心电路提供电源；所述光频传感器核心电路包括两大部分，第一部分是光电流检测电路，第二部分是电流转频率电路(I/F)，将检测到的电流转化为成正比的频率信号。

【技术特征摘要】
1.一种用于物联网的自供电高性能光频传感器，其特征在于：包括能量采集系统、电源管理电路以及光频传感器核心电路；所述能量采集系统是利用光电二极管阵列来收集光能，利用最大功率点追踪(MPPT)技术,提高光能转换效率；经过后续直流转换直流电路(DCDC)升压和低压差线性稳压器(LDO)稳压后为光频传感器核心电路供电；所述电源管理电路主要包括MPPT模块、LDO、DCDC和四个电容；其作用是为光频核心电路提供电源；所述光频传感器核心电路包括两大部分，第一部分是光电流检测电路，第二部分是电流转频率电路(I/F)，将检测到的电流转化为成正比的频率信号。2.根据权利要求1所述用于物联网的自供电高性能光频传感器，其特征在于：电源管理电路的实现过程如下；由电容CDD给MPPT和DCDC供电，而CST做为超级电容用于能量存储和为LDO供电，这就允许CDD选用容值小的电容来确保电源管理电路更快的激活；电容Cbuf用作MPPT的能量缓冲器，CREG为LDO提供环路稳定性补偿和滤波。因为环境光能比较微弱，能量采集系统提供的电压VDC一般小于300mV，达不到MPPT和DCDC的工作电压，需要一个启动电路，启动电路里集成了电荷泵和欠压保护电路，电荷泵的作用是将CDD预充电到VDDmin，当欠压保护电路检测到VDD>VDDmin后，发出使能信号，让DCDC正常工作，否则关闭DCDC；一旦DCDC正常工作，就关闭启动电路，降低功耗；关闭启动电路后，CDD由DCDC继续充电充电到VDDtypical，这个值高于VDDmin，当DCDC里面的内部控制逻辑单元检测到电压VDD>VDDtypical，切换输出通道让DCDC给超级电容CST充电，当电压VDD<VDDmin时，输出通道再切换回来给CDD充电；这时光能都储存于超级电容CST中，LDO的作用是得到一个稳定并且合适的电压值VREG，为光频核心电路提供电源。3.根据权利要求1所述用于物联网的自供电高性能光频传感器，其特征在于：光电流检测电路包括光电二极管PD_1、PD_2、MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6、运放A1、运放Ar1；光电流检测电路运行时...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐枋，
申请(专利权)人：重庆湃芯微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50