应用于物联网无源感知设备的低功耗高PSR全集成LDO稳压器研究

To convert the weak energy collected from the sensor node into a stable supply voltage for the circuit is the hotspot of the research on energy harvesting for the passive sensing devices in the internet of things (IoT). The main form of the power management chip used in the passive sensor is the low dropout regulator (LDO), which faces the following problems: 1) low power adversely affects the stability, response and output precision; 2) low supply voltage reduces the load driving capability and noise tolerance; 3) high power supply rejection (PSR) is required for LDO due to the complex electromagnetic noise in the sensor network. Based on the previous research on CMOS voltage reference circuit, compensation technique for the multi-stage amplifier and fast transient technique for LDO, this project is planning to research the low power and high PSR technologies for the full-integrated LDO regulator and the key module reference circuit used in the passive sensing devices, and focuses on: 1) low supply voltage of the CMOS subthreshold voltage reference without special devices; 2) stability of FVF-LDO with ultra-low load current in low power environment; 3) high PSR for the low power voltage reference and FVF-LDO chip. The in-depth research work of this project will enrich the theory and methodology of LDO regulator for passive sensing devices in IoT, and will provide a new method to solve the common problems in low power and high PSR technologies.

如何在感知节点上将收集的微弱能量转换成稳定电源，是物联网感知层能量获取的研究热点。作为应用于物联网无源感知设备的电源管理芯片的主要形式，低压差线性稳压器（LDO）主要面临以下问题：1）低功耗给稳定性及输出精度等带来不利影响；2）低工作电压降低负载能力和噪声容限；3）感知网络复杂的电磁环境需要强的噪声抑制能力。本项目在前期CMOS电源基准源、LDO稳定性补偿和快速瞬态响应的研究基础上，对应用于物联网无源感知设备的全集成LDO芯片及关键模块电压基准电路的低功耗和高电源电压抑制比（PSR）技术进行研究，重点解决：1）无特殊器件下全CMOS基准电压源的低工作电压问题；2）低功耗约束下FVF-LDO在低负载情况下的稳定性问题；3）低压低功耗下电压基准源和FVF-LDO的电源噪声抑制问题。研究工作将丰富物联网无源设备LDO稳压器的设计理论和方法，为一般共性的低功耗高PSR技术的研究提供新的解决思路。

本项目针对物联网无源感知设备的低功耗高PSR电源管理技术面临的问题，研究1）超低功耗高PSR全CMOS电压基准源技术；2）OCL-LDO低功耗高PSR技术，3）项目实施过程中，我们进一步扩展，研究模拟集成电路自动化设计技术。项目完成了低功耗高PSR电源管理芯片的设计，在各项性能指标上达到并超过了设计要求，同时在电路理论与结构设计创新上取得了以下成果，1）基于亚阈值技术和衬底偏置技术实现低功耗全CMOS电压基准电路，利用内嵌负反馈实现电压基准电路的高PSR；2）用偏置电路复用降低FVF结构功耗，同时利用纹波前馈和双缓冲结构等提高LDO的PSR；3）使用进化算法优化了LDO的性能，并进一步实现了能自动生成电路拓扑结构并优化电路参数的系统。.项目预期发表期刊以及国际会议论文6篇以上，SCI索引3~4篇，申请中国发明专利2件。项目最终发表论文13篇，其中SCI论文5篇，ISCAS、APCCAS等会议论文8篇，合计超出7篇，论文总引用29次（Web of Science数据）；项目最终申请中国发明专利9件，其中授权1件，超出7件。.项目在标准CMOS工艺实现了低功耗高PSR的电压基准和LDO稳压器，基准源不需要特殊工艺，LDO无片外电容，拥有更好的兼容性和集成度，适合应用于物联网无源设备。项目尝试将自动化设计延伸到模拟集成电路，设计的系统在可以实现电路拓扑和参数的自动化设计，有很好的应用前景。.项目目标培养（及合作培养）硕士研究生3名，本科生4名，项目最终培养3名研究生，9名本科生。项目非常重视本科生科研能力的培养，为广州大学培养了第一批模拟集成电路设计方向的本科生，并在项目成果完成人里得到了充分的体现。培养的学生部分在加拿大滑铁卢大学和中山大学等国内外高校模拟集成电路方向继续深造，余下大部分从事集成电路设计工作。.集成电路是信息技术、科技创新、战略性产业的核心和基础支撑。项目不仅为一般共性的低功耗高PSR技术的研究提供新的解决思路，也为物联网无源感知芯片的发展提供理论与技术的支持。

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