本发明专利技术公开了一种应用于自供能芯片系统的低漏电启动电路，包括二极管串联电路、片上电容、反相器以及电平转换器；本发明专利技术启动电路用于检测自供能芯片系统储能电容的电压信号，在该电压信号低于启动电路设定阈值前，自供能芯片系统其他电路模块均关闭，以此避免在能量收集过程中由于其他电路模块的非稳定态持续漏电大于能量收集模块所收集到的能量，导致整个能量收集网络正常工作。本发明专利技术启动电路可确保储能电容电压高于自供能芯片系统最低工作电压时开启芯片工作状态，确保能量收集正常工作为自供能芯片系统供电。作为自供能芯片系统供电。作为自供能芯片系统供电。
【技术实现步骤摘要】
一种应用于自供能芯片系统的低漏电启动电路
[0001]本专利技术属于集成电路设计
，具体涉及一种应用于自供能芯片系统的低漏电启动电路。
技术介绍
[0002]当前的智慧城市建设，物联网全面渗透到城市的各个领域，不断扩大建筑、桥梁、道路、管网、灯杆和车位等城市设施的智慧化范围，自动感知运行状态；与此同时，农场也开始采纳物联网、低成本云应用、低功耗广域网、传感技术和数据分析平台，这些系统可以应用到农业生产的各个环节以提高农业效率。万物互联的根本在于感知物理世界信息的传感器，当前传感器件主要通过传统电池或电源供电，该供电方式由于电池寿命短、更换不变、易污染环境等大大限制了万物互联的广泛度；为此，研究人员提出了具备小型化、寿命长、无污染的自供能芯片系统可将传感器系统从外在的电源束缚中释放出来，实现能量的自给自足，从而推动物联网的跨越式发展。
[0003]自供能芯片通常包括能量收集模块、电源管理模块、信号采集、处理与发射模块等，其中能量收集模块负责对环境振动能、光能、电磁能、热能等进行收集转换至电能并存储于储能电容中，电源管理模块包括启动电路、如带隙基准、低压差稳压器、DC
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DC转换器等，其中启动电路用于判断储能电容中的电压值，带隙基准用于为后续电路提供偏置电压，低压差稳压器和DC
‑
DC转换器用于为信号收集、处理及发射电路提供稳点的电压。
[0004]在自供能芯片的设计中，启动电路的设计至关重要，它能够决定芯片上其他各电路模块开启的时间，确保储能电容能够持续进行能量收集。
[0005]很多文献对自供能芯片系统在启动过程中存在的漏电现象进行过研究，例如B.H.Stark等人在2011年IET Circuit Dev.Syst.发表的文献《Start
‑
up circuit with low minimum operating power for microwatt energy harvesters》总结了自供能芯片在启动过程会存在较大漏电问题，同时提出了一种工作在亚阈值区域的启动电路用于解决能量收集过程中的漏电现象，该启动电路实时监测储能电容电压，达到阈值后导通储能电容与后续电压管理电路，储能电容耗电为3.5μW；但是该启动电路仍然不能满足能量收集仅为uA级的自供能芯片系统。
[0006]随后D.Alghisi等人在2017年Sensors and Actuators A:Physical上发表的文献《A new nano
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power trigger circuit for battery
‑
less power management electronics in energy harvesting systems》进一步讨论了该漏电在何种情况下会导致自供能系统无法正常工作，并且设计了一个数十nA的启动电路，该启动电路由基于闩锁效应的控制逻辑构成迟滞比较器，用于判断储能电容电压，并决定是否导通储能电容与后续电路；然而，该启动电路仍然无法满足当前能量收集仅为nA级的自供能芯片系统。
技术实现思路
[0007]鉴于上述，本专利技术提供了一种应用于自供能芯片系统的低漏电启动电路，具有超
低功耗的特点，满足较低能量收集器的自供能芯片系统的工作需要。
[0008]一种应用于自供能芯片系统的低漏电启动电路，包括：二极管串联电路、片上电容、反相器以及电平转换器，其中：
[0009]所述二极管串联电路的一端接系统片外储能电容电压VDD，另一端与片上电容的一端以及反相器的输入端相连，片上电容的另一端接地，该电路用于判断VDD与片上电容一端的电压差，以此决定是否对片上电容进行充电；
[0010]所述电平转换器以反相器的输入和输出作为一对互补的驱动信号，使片上电容电压在GND(接地)与VDD两种状态下转换，以保证输出的启动信号可直接用于系统其他电路模块的开通和关断。
[0011]进一步地，所述二极管串联电路由多个NMOS管串联组成，每个NMOS管的栅极与漏极相连，衬底接地。因NMOS衬底均接至地，第n个NMOS的阈值电压高于第n
‑
1个NMOS的阈值电压，只有当二极管串联电路两端电压差高于n*V
THN
(V
THN
为NMOS阈值电压)时，整个二级管串联电路将被导通，否则一直处于亚阈值区。
[0012]进一步地，所述二极管串联电路中的NMOS管个数至少为两个或两个以上。
[0013]进一步地，所述片上电容采用工艺所支持的MOM电容、MIM电容或MOS电容构成。在二级管串联电路导通前，片上电容电压接近地，当二级管串联电路导通后，片上电容的电压将逐步累积并开启电平转换器的驱动。
[0014]进一步地，所述反相器的电源电压由片上电容的电压提供。当片上电容电压累积超过阈值电压时，反相器输出低电平并关断电平转换器中的另一组驱动，促进电平转换器的输出反转。
[0015]进一步地，所述电平转换器由两组驱动管、驱动负载以及反相电路组成，具体包括三个NMOS管M
n1
～M
n3
以及五个PMOS管M
p1
～M
p5
，其中PMOS管M
p3
的源极与PMOS管M
p4
的源极以及PMOS管M
p5
的源极相连并接VDD，PMOS管M
p3
的漏极与PMOS管M
p4
的栅极以及PMOS管M
p1
的源极相连，PMOS管M
p4
的漏极与PMOS管M
p3
的栅极以及PMOS管M
p2
的源极相连，PMOS管M
p1
的栅极与NMOS管M
n1
的栅极相连并接反相器的输入端，PMOS管M
p1
的漏极与NMOS管M
n1
的漏极、PMOS管M
p5
的栅极以及NMOS管M
n3
的栅极相连，NMOS管M
n1
的源极接地，PMOS管M
p2
的栅极与NMOS管M
n2
的栅极相连并接反相器的输出端，PMOS管M
p2
的漏极与NMOS管M
n2
的漏极相连，NMOS管M
n2
的源极接地，PMOS管M
p5
的漏极与NMOS管M
n3
的漏极相连并产生启动信号，NMOS管M
n3
的源极接地。当片上电容电压累积超过阈值电压时，电平转换器的输出反转，并由后一级反相电路调理其输出电压至片外储能电容电压。
[0016]进一步地，所述PMOS管M
p1
与NMOS管M
n1
连接构成一组驱动管，PMOS管M
p2
与NMOS管M
n2...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种应用于自供能芯片系统的低漏电启动电路，其特征在于，包括：二极管串联电路、片上电容、反相器以及电平转换器，其中：所述二极管串联电路的一端接系统片外储能电容电压VDD，另一端与片上电容的一端以及反相器的输入端相连，片上电容的另一端接地，该电路用于判断VDD与片上电容一端的电压差，以此决定是否对片上电容进行充电；所述电平转换器以反相器的输入和输出作为一对互补的驱动信号，使片上电容电压在GND与VDD两种状态下转换，以保证输出的启动信号可直接用于系统其他电路模块的开通和关断。2.根据权利要求1所述的低漏电启动电路，其特征在于：所述二极管串联电路由多个NMOS管串联组成，每个NMOS管的栅极与漏极相连，衬底接地。3.根据权利要求2所述的低漏电启动电路，其特征在于：所述二极管串联电路中的NMOS管个数至少为两个或两个以上。4.根据权利要求1所述的低漏电启动电路，其特征在于：所述片上电容采用工艺所支持的MOM电容、MIM电容或MOS电容构成。5.根据权利要求1所述的低漏电启动电路，其特征在于：所述反相器的电源电压由片上电容的电压提供。6.根据权利要求1所述的低漏电启动电路，其特征在于：所述电平转换器由两组驱动管、驱动负载以及反相电路组成，具体包括三个NMOS管M
n1
～M
n3
以及五个PMOS管M
p1
～M
p5
，其中PMOS管M
p3
的源极与PMOS管M
p4
的源极以及PMOS管M
p5
的源极相连并接VDD，PMOS管M
p3
的漏极与PMOS管M
p4
的栅极以及PMOS管M
p1
的源极相连，PMOS管M
p4
的漏极与PMOS管M
p3
...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴汉，
申请(专利权)人：脉砥微电子杭州有限公司，
类型：发明
国别省市：
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