射频能量收集系统中RF-DC变换器的优化文献综述

文献综述（或调研报告）：

时至今日，RF能量收集系统的开发改良依旧是热点研究。通过查询阅读相关文献，了解RF能量收集系统的设计思路与方法。

能量收集系统的基本组成：天线，匹配网络，整流器，储存电容；系统的核心评价参数：灵敏度，能量传输效率(PCE)，天线的阻抗会影响系统的灵敏度，匹配网络通过调整天线与整流器，达到阻抗匹配以实现最大化功率传输，整流器是系统的核心部件，其本质为一个非线性电路，将AC电信号转换为DC信号，最终储存到超级电容[9]或者直接为应用供电。

本次设计的主要目的，是提升整流器的传输效率PCE，PCE的定义为输出电压和输入功率的比值，输入功率为输出功率、整流器损耗功率和反向漏电功率[3]，其中反向漏电功率由晶体管反向特性造成。可以发现，要想提高PCE，就需要优化整流器。

整流器的设计基础，RF-DC转换器件， 在已有的文献和研究中，可供选择的器件有很多，有常规的二极管，肖特基二极管，二极管连接的NMOS管，二极管连接的PMOS管，可进行衬底调制的NMOS管或者PMOS管，native PMOS管，native NMOS管，浮栅NMOS管，浮栅PMOS管，它们各有优点和缺点。

二极管连接的NMOS和PMOS管这两种转换器件是与普通工艺相兼容的，且可以与芯片的其他部分，集成在一起的，可以满足集成度的要求，能够实现芯片的小型化；但是他们有一个比较不好的地方就是他们的阈值电压一般很高，几百mV，这个电压很难在无源的RF-DC转换器中消除，因此输入信号的幅值必须比其阈值电压大或者至少相等。这种结构的转化器件一般工作在饱和区或者亚阈值区，其ＩＶ关系一般是平方律关系或者指数关系。对于一般工艺而言PMOS的阈值电压比NMOS的阈值电压略微小一点，因此相比较而言，PMOS能够接收更小的ＲＦ信号

一般CMOS工艺也是提供普通二极管的。普通二极管也是有阈值电压的，普通二极管也是可以和芯片的其他部分集成，实现芯片的小型化和高集成度。其ＩＶ关系是指数关系。但是一般普通二极管只有两个端子，通常很难进行阈值电压的补偿，所以普通二极管一般都用在高压转换器中。

肖特基二极管，肖特基二极管的特点是低阈值电压，高开关频率。这些特性使得肖特基二极管很适合当做转换器件，此时的输入信号的幅值可以在150mv以下，相应的效率可以超过10％，如果输入信号的幅值更大，其转换效率可以更高。但是肖特基二极管与普通的CMOS工艺不兼容，其不能和芯片的其他部分集成，多数被使用在分立转换器中，且肖特基二极管的反向漏电比较严重。随着现在工艺的发展，阈值电压可以做的很小，普通的MOS管的阈值电压可以做到250mv左右。

可进行衬底调制的NMOS或PMOS—般属于深阱工艺的MOS管，其有个特点就是衬底与硅片衬底是对立的，这样我们可以根据衬底效应来减小阈值电压，可以达到阈值电压的优化，而且这种管子在现代CMOS工业中是提供的，其可以与芯片的其他部分集成，是转换器件的一个比较好的选择。

Native 的PMOS和Native 的NMOS，也是一种低阈值的MOS管，也是现代CMOS工艺提供的，其主要特点是阈值电压很低，对NMOS而言甚至有时候是负的，但是有一点不理想的地方是其阈值电压的波动比较大，而且其反向漏电也比较严重。

关于浮栅器件，其需要两层多晶硅栅工艺支持，这种工艺在现在工艺中一般是不提供的，也即是说其不能与标准的工艺兼容，很难与芯片的其他部分兼容，即是兼容芯片的制造成本也非常高。

综上所述，MOS管是构建整流电路的理想器件。有的整流思路基于Dickson电荷泵[4][5]，也有的电路将RF信号差分输入，利用差分整流电路进行全波整流[1][3][11]。

阈值电压补偿是整流器设计不可避免的问题，常有的阈值电压补偿方案主要可分为外部阈值，内部阈值，自阈值补偿等：外部阈值一般为有源补偿，需要外加电源，不适用于RF-DC转换器的需求；内部阈值补偿，有利用晶体管体效应，利用体偏置二极管连接MOS替代常规MOS[8]；自阈值补偿，多级Dikcson整流电路中，由于电路的倍压效果，后节点的电压明显要大于前节点，利用这种差异，改进电路连接可以实现多级整流电路自阈值补偿[8][12][13]。

自阈值补偿的大小和自阈值补偿的阶数相关，如果阶数太高，反而会增大整流电路的反向漏电。

相比于上述情况，差分整流具有阈值电压低的先天优势，因为该结构中整流过程中产生的共模栅极电压提供了额外的偏置[1]，但是受限于反向电流造成的损耗，[3]就是针对这个问题作出了改进，将输出的直流电压通过反馈回来施加一个偏压到整流管栅极，提高了高输出时MOS管导通阈值电压，限制反向电流。

对于反向电流的限制，[1]中还提出使用互补二极管连接的MOS管对，在输出端限制电流回流。

为了对电路的性能进行评估，需要建立相关电路模型，由于电路主要元件，二极管的开关特性，在分析时，一般分为二极管导通和截止两个状态，然后对单个整流级电路进行工作状态的划分，对MOS管而言，导通还可以区分为亚阈值导通和饱和导通，对不同状态下的二极管工作电流等参数分析，结合电荷守恒完成模型建立。[2][8]

对于N级整流器，其输出电压和单级相比，是N倍关系，输入阻抗则是1/N，整流器级数的增加的确会提升系统的输出电压，但是整流级每一级中存在着寄生电容的问题，电压增益也会减小。级数的提升，会使PCE峰从低输入功率向高输入功率区移动，因为在低输入功率时，多级整流的功耗增加，所以PCE降低。必须根据设计需求确定级数。

整流电路还可分为全波和半波整流，虽然半波整流的电路一般更为简洁，但是全波整流可以降低对输入信号的要求，提升灵敏度，而且设计合理的全波整流器可以提升PCE。

为了应对射频能量收集系统的集成化需求，整流电路中普遍更倾向选择标准CMOS工艺提供的MOS管进行整流电路设计。

总结已查阅的国内外文献，除了都要以降低阈值电压为主要目的之一外，大致可区分为3个方面的工作：

1.直接利用传统的Dikcson模型，设计多级整流电路，通过对整流链的改进实现优化。

Parvaneh Saffari等人在2018年提出一种多级整流过程中的自阈值补偿方案，该方案的整流主链依旧使用Dickson整流，但是在主链直接施加了用于阈值补偿支链，成功地为424mv的MOS提供了200MV的阈值补偿，测试频段915MHZ。

2.对传统Dickson模型提出新的见解和调整，对电路建模进行改进。

浙江大学王伟印博士，对传统的Dickson电路模型进行补充优化，不仅考虑了输入特性和阈值电压的因素，还对MOS管在不同工作状态下伏安特性的变化，并考虑到反向漏电造成的损耗，寄生元件的影响，对整流电路进行了详细建模；还提出了两种阈值电压补偿方案解决MOS阈值过高问题。[8]

Sajjad Shieh等人于2018年对Dickson模型的阻抗模拟提出了新方法。[2]

Ali Asghar Razavi Haeri等人于2017年也提出过对Dikcson模型（使用MOS）的阻抗，输入输出，功耗等进行建模的方法。[4]

3..提出不同于Dikcson模型的整流方案，并对此进行改进或者利用。

日本东北大学的Koji Kotani的团队在2009年就提出了一种利用差分驱动桥式结构的MOS管电路实现具有高效PCE和灵敏度的全波整流器。同时该模型利用整流产生共模栅极电压作为阈值补偿，测试频率953MHZ。[11]

对于Koji Kotani的方案，Mahmoud H. Ouda等人在2017年提出了针对该方案工作周期内反向漏电的问题进行改进的方案，通过提高高输出时的阈值电压，以降低PCE峰值为代价，改善了该单级整流电路模型在较大输入功率范围内的PCE表现，测试频率433MHZ。[3]

同样面对反向漏电问题，代尔夫特理工大学的Mark Stoopman团队在利用Koji Kotani的电路模型时，使用了多级整流的结构完成整流电路时，提出使用互补二极管连接MOS，在输出端限制反向电流，测试频率868MHZ。[1]

参考文献：

[1] Mark Stoopman, Shady Keyrouz, and Hubregt J. Visser,” Co-Design of a CMOS Rectifier and Small Loop Antenna for Highly Sensitive RF Energy Harvesters” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 49, NO. 3, MARCH 2014

[2] Sajjad Shieh and Mahmoud Kamarei,” Transient Input Impedance Modeling of Rectifiers for RF Energy Harvesting Applications” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 65, NO. 3, MARCH 2018

[3] Mahmoud H. Ouda, Waleed Khalil and Khaled N. Salama” Self-Biased

Differential Rectifier With Enhanced Dynamic Range for Wireless Powering” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 64, NO. 5, MAY 2017

[4] Ali Asghar Razavi Haeri, Mohammadreza Ghaderi Karkani, and Mohammad Sharifkhani,” Analysis and Design of Power Harvesting Circuits for Ultra-Low Power Applications” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS–I: REGULAR PAPERS, VOL. 64, NO. 2, FEBRUARY 2017

[5] Parvaneh Saffari, Ali Basaligheh, and Kambiz Moez,” A Wide-Range Highly Power Efficient RF-to-DC Rectifier for RF Energy Harvesting Systems” Department of Electrical and Computer Engineering University of Alberta Edmonton, Canada, 978-1-5386-4881-0/18/$31.00 copy;2018 IEEE

[6] 韦保林，韦雪明，徐卫林，段吉海, ”环境射频能量收集技术的研究进展及应用” doi:10． 3969 /j． issn． 1002 － 0802． 2014． 04． 004

[7]田龙，刘征，鞠家欣，姜岩峰，“射频能量收集装置的研究进展”北方工业大学信息工程学院

[8]王伟印“用于射频能量收集的集成RF-DC转换器的开发”浙江大学博士学位论文

[9]韩文超“多射频复合式能量采集器的设计及仿真”河南师范大学硕士学位论文

[10]周扬“射频能量分布测量装置及方法研究”浙江大学硕士学位论文

[11] Koji Kotani, Member, IEEE, Atsushi Sasaki, and Takashi Ito, Senior Member, IEEE，“High-Efficiency Differential-Drive CMOS Rectifier for UHF RFIDs” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 44, NO. 11, NOVEMBER 2009

[12] Giuseppe Papotto, Francesco Carrara, Senior Member, IEEE, and Giuseppe Palmisano, Senior Member, IEEE，“A 90-nm CMOS Threshold-Compensated RF Energy Harvester” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 46, NO. 9, SEPTEMBER 2011

[13] Zohaib Hameed, Student Member, IEEE, and Kambiz Moez, Sr., Senior Member, IEEE，“Hybrid Forward and Backward ThresholdCompensated RF-DC Power Converter for RF Energy Harvesting” IEEE JOURNAL ON EMERGING AND SELECTED TOPICS IN CIRCUITS AND SYSTEMS, VOL. 4, NO. 3, SEPTEMBER 2014

[14] Y.-J. Kim, H. S. Bhamra, J. Joseph, and P. P. Irazoqui, “An ultra-lowpower RF energy-harvesting transceiver for multiple-node sensor application,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, vol. 62, no. 11,pp. 1028–1032, Nov. 2015

[15] M. H. Ouda, M. Arsalan, L. Marnat, A. Shamim, and K. N. Salama, “5.2-GHz RF power harvesting module in 0.18 mu;m CMOS for biomedical implantable sensors,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 61, no. 5,

pp. 1–8, May 2013

文献综述（或调研报告）：

时至今日，RF能量收集系统的开发改良依旧是热点研究。通过查询阅读相关文献，了解RF能量收集系统的设计思路与方法。

能量收集系统的基本组成：天线，匹配网络，整流器，储存电容；系统的核心评价参数：灵敏度，能量传输效率(PCE)，天线的阻抗会影响系统的灵敏度，匹配网络通过调整天线与整流器，达到阻抗匹配以实现最大化功率传输，整流器是系统的核心部件，其本质为一个非线性电路，将AC电信号转换为DC信号，最终储存到超级电容[9]或者直接为应用供电。

本次设计的主要目的，是提升整流器的传输效率PCE，PCE的定义为输出电压和输入功率的比值，输入功率为输出功率、整流器损耗功率和反向漏电功率[3]，其中反向漏电功率由晶体管反向特性造成。可以发现，要想提高PCE，就需要优化整流器。

整流器的设计基础，RF-DC转换器件， 在已有的文献和研究中，可供选择的器件有很多，有常规的二极管，肖特基二极管，二极管连接的NMOS管，二极管连接的PMOS管，可进行衬底调制的NMOS管或者PMOS管，native PMOS管，native NMOS管，浮栅NMOS管，浮栅PMOS管，它们各有优点和缺点。

二极管连接的NMOS和PMOS管这两种转换器件是与普通工艺相兼容的，且可以与芯片的其他部分，集成在一起的，可以满足集成度的要求，能够实现芯片的小型化；但是他们有一个比较不好的地方就是他们的阈值电压一般很高，几百mV，这个电压很难在无源的RF-DC转换器中消除，因此输入信号的幅值必须比其阈值电压大或者至少相等。这种结构的转化器件一般工作在饱和区或者亚阈值区，其ＩＶ关系一般是平方律关系或者指数关系。对于一般工艺而言PMOS的阈值电压比NMOS的阈值电压略微小一点，因此相比较而言，PMOS能够接收更小的ＲＦ信号

一般CMOS工艺也是提供普通二极管的。普通二极管也是有阈值电压的，普通二极管也是可以和芯片的其他部分集成，实现芯片的小型化和高集成度。其ＩＶ关系是指数关系。但是一般普通二极管只有两个端子，通常很难进行阈值电压的补偿，所以普通二极管一般都用在高压转换器中。

肖特基二极管，肖特基二极管的特点是低阈值电压，高开关频率。这些特性使得肖特基二极管很适合当做转换器件，此时的输入信号的幅值可以在150mv以下，相应的效率可以超过10％，如果输入信号的幅值更大，其转换效率可以更高。但是肖特基二极管与普通的CMOS工艺不兼容，其不能和芯片的其他部分集成，多数被使用在分立转换器中，且肖特基二极管的反向漏电比较严重。随着现在工艺的发展，阈值电压可以做的很小，普通的MOS管的阈值电压可以做到250mv左右。

可进行衬底调制的NMOS或PMOS—般属于深阱工艺的MOS管，其有个特点就是衬底与硅片衬底是对立的，这样我们可以根据衬底效应来减小阈值电压，可以达到阈值电压的优化，而且这种管子在现代CMOS工业中是提供的，其可以与芯片的其他部分集成，是转换器件的一个比较好的选择。

Native 的PMOS和Native 的NMOS，也是一种低阈值的MOS管，也是现代CMOS工艺提供的，其主要特点是阈值电压很低，对NMOS而言甚至有时候是负的，但是有一点不理想的地方是其阈值电压的波动比较大，而且其反向漏电也比较严重。

关于浮栅器件，其需要两层多晶硅栅工艺支持，这种工艺在现在工艺中一般是不提供的，也即是说其不能与标准的工艺兼容，很难与芯片的其他部分兼容，即是兼容芯片的制造成本也非常高。

综上所述，MOS管是构建整流电路的理想器件。有的整流思路基于Dickson电荷泵[4][5]，也有的电路将RF信号差分输入，利用差分整流电路进行全波整流[1][3][11]。

阈值电压补偿是整流器设计不可避免的问题，常有的阈值电压补偿方案主要可分为外部阈值，内部阈值，自阈值补偿等：外部阈值一般为有源补偿，需要外加电源，不适用于RF-DC转换器的需求；内部阈值补偿，有利用晶体管体效应，利用体偏置二极管连接MOS替代常规MOS[8]；自阈值补偿，多级Dikcson整流电路中，由于电路的倍压效果，后节点的电压明显要大于前节点，利用这种差异，改进电路连接可以实现多级整流电路自阈值补偿[8][12][13]。

自阈值补偿的大小和自阈值补偿的阶数相关，如果阶数太高，反而会增大整流电路的反向漏电。

相比于上述情况，差分整流具有阈值电压低的先天优势，因为该结构中整流过程中产生的共模栅极电压提供了额外的偏置[1]，但是受限于反向电流造成的损耗，[3]就是针对这个问题作出了改进，将输出的直流电压通过反馈回来施加一个偏压到整流管栅极，提高了高输出时MOS管导通阈值电压，限制反向电流。

对于反向电流的限制，[1]中还提出使用互补二极管连接的MOS管对，在输出端限制电流回流。

为了对电路的性能进行评估，需要建立相关电路模型，由于电路主要元件，二极管的开关特性，在分析时，一般分为二极管导通和截止两个状态，然后对单个整流级电路进行工作状态的划分，对MOS管而言，导通还可以区分为亚阈值导通和饱和导通，对不同状态下的二极管工作电流等参数分析，结合电荷守恒完成模型建立。[2][8]

对于N级整流器，其输出电压和单级相比，是N倍关系，输入阻抗则是1/N，整流器级数的增加的确会提升系统的输出电压，但是整流级每一级中存在着寄生电容的问题，电压增益也会减小。级数的提升，会使PCE峰从低输入功率向高输入功率区移动，因为在低输入功率时，多级整流的功耗增加，所以PCE降低。必须根据设计需求确定级数。

整流电路还可分为全波和半波整流，虽然半波整流的电路一般更为简洁，但是全波整流可以降低对输入信号的要求，提升灵敏度，而且设计合理的全波整流器可以提升PCE。

为了应对射频能量收集系统的集成化需求，整流电路中普遍更倾向选择标准CMOS工艺提供的MOS管进行整流电路设计。

总结已查阅的国内外文献，除了都要以降低阈值电压为主要目的之一外，大致可区分为3个方面的工作：

1.直接利用传统的Dikcson模型，设计多级整流电路，通过对整流链的改进实现优化。

Parvaneh Saffari等人在2018年提出一种多级整流过程中的自阈值补偿方案，该方案的整流主链依旧使用Dickson整流，但是在主链直接施加了用于阈值补偿支链，成功地为424mv的MOS提供了200MV的阈值补偿，测试频段915MHZ。

2.对传统Dickson模型提出新的见解和调整，对电路建模进行改进。

浙江大学王伟印博士，对传统的Dickson电路模型进行补充优化，不仅考虑了输入特性和阈值电压的因素，还对MOS管在不同工作状态下伏安特性的变化，并考虑到反向漏电造成的损耗，寄生元件的影响，对整流电路进行了详细建模；还提出了两种阈值电压补偿方案解决MOS阈值过高问题。[8]

Sajjad Shieh等人于2018年对Dickson模型的阻抗模拟提出了新方法。[2]

Ali Asghar Razavi Haeri等人于2017年也提出过对Dikcson模型（使用MOS）的阻抗，输入输出，功耗等进行建模的方法。[4]

3..提出不同于Dikcson模型的整流方案，并对此进行改进或者利用。

日本东北大学的Koji Kotani的团队在2009年就提出了一种利用差分驱动桥式结构的MOS管电路实现具有高效PCE和灵敏度的全波整流器。同时该模型利用整流产生共模栅极电压作为阈值补偿，测试频率953MHZ。[11]

对于Koji Kotani的方案，Mahmoud H. Ouda等人在2017年提出了针对该方案工作周期内反向漏电的问题进行改进的方案，通过提高高输出时的阈值电压，以降低PCE峰值为代价，改善了该单级整流电路模型在较大输入功率范围内的PCE表现，测试频率433MHZ。[3]

同样面对反向漏电问题，代尔夫特理工大学的Mark Stoopman团队在利用Koji Kotani的电路模型时，使用了多级整流的结构完成整流电路时，提出使用互补二极管连接MOS，在输出端限制反向电流，测试频率868MHZ。[1]

参考文献：

[1] Mark Stoopman, Shady Keyrouz, and Hubregt J. Visser,” Co-Design of a CMOS Rectifier and Small Loop Antenna for Highly Sensitive RF Energy Harvesters” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 49, NO. 3, MARCH 2014

[2] Sajjad Shieh and Mahmoud Kamarei,” Transient Input Impedance Modeling of Rectifiers for RF Energy Harvesting Applications” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 65, NO. 3, MARCH 2018

[3] Mahmoud H. Ouda, Waleed Khalil and Khaled N. Salama” Self-Biased

Differential Rectifier With Enhanced Dynamic Range for Wireless Powering” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 64, NO. 5, MAY 2017

[4] Ali Asghar Razavi Haeri, Mohammadreza Ghaderi Karkani, and Mohammad Sharifkhani,” Analysis and Design of Power Harvesting Circuits for Ultra-Low Power Applications” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS–I: REGULAR PAPERS, VOL. 64, NO. 2, FEBRUARY 2017

[5] Parvaneh Saffari, Ali Basaligheh, and Kambiz Moez,” A Wide-Range Highly Power Efficient RF-to-DC Rectifier for RF Energy Harvesting Systems” Department of Electrical and Computer Engineering University of Alberta Edmonton, Canada, 978-1-5386-4881-0/18/$31.00 copy;2018 IEEE

[6] 韦保林，韦雪明，徐卫林，段吉海, ”环境射频能量收集技术的研究进展及应用” doi:10． 3969 /j． issn． 1002 － 0802． 2014． 04． 004

[7]田龙，刘征，鞠家欣，姜岩峰，“射频能量收集装置的研究进展”北方工业大学信息工程学院

[8]王伟印“用于射频能量收集的集成RF-DC转换器的开发”浙江大学博士学位论文

[9]韩文超“多射频复合式能量采集器的设计及仿真”河南师范大学硕士学位论文

[10]周扬“射频能量分布测量装置及方法研究”浙江大学硕士学位论文

[11] Koji Kotani, Member, IEEE, Atsushi Sasaki, and Takashi Ito, Senior Member, IEEE，“High-Efficiency Differential-Drive CMOS Rectifier for UHF RFIDs” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 44, NO. 11, NOVEMBER 2009

[12] Giuseppe Papotto, Francesco Carrara, Senior Member, IEEE, and Giuseppe Palmisano, Senior Member, IEEE，“A 90-nm CMOS Threshold-Compensated RF Energy Harvester” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 46, NO. 9, SEPTEMBER 2011

[13] Zohaib Hameed, Student Member, IEEE, and Kambiz Moez, Sr., Senior Member, IEEE，“Hybrid Forward and Backward ThresholdCompensated RF-DC Power Converter for RF Energy Harvesting” IEEE JOURNAL ON EMERGING AND SELECTED TOPICS IN CIRCUITS AND SYSTEMS, VOL. 4, NO. 3, SEPTEMBER 2014

[14] Y.-J. Kim, H. S. Bhamra, J. Joseph, and P. P. Irazoqui, “An ultra-lowpower RF energy-harvesting transceiver for multiple-node sensor application,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, vol. 62, no. 11,pp. 1028–1032, Nov. 2015

[15] M. H. Ouda, M. Arsalan, L. Marnat, A. Shamim, and K. N. Salama, “5.2-GHz RF power harvesting module in 0.18 mu;m CMOS for biomedical implantable sensors,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 61, no. 5,

pp. 1–8, May 2013