[发明专利]片上集成太阳能电池供电系统

说明书

技术领域

本发明属于太阳能技术领域，涉及一种与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的片上太阳能电池，以及集成片上太阳能电池的电源管理系统，具体讲，涉及片上集成太阳能电池供电系统。

背景技术

随着全球生态环境不断恶化，传统石化能源的日益短缺，迫切需要一种清洁、无污染且供给丰富的新能源来推动人类文明和社会经济的持续发展，这已成为世界各国持续关注和不断探索的科学问题之一。

目前，学术界已报道了采用机械振动、温度梯度及太阳能等多种能量获取方式。与其他能量获取方式相比，以光作为能量来源的太阳电池转换效率高、技术成熟，无需交流-直流转换，是一种取之不尽、用之不竭的绿色环保能源。当前，太阳能电池已占据了新型绿色能源市场的绝大多数份额。

得益于CMOS电路低功耗技术的不断进步，对于射频识别标签和无线传感网络节点等周期性工作的微系统而言，芯片的总体功耗可控制在～百微瓦附近。因此，对于这样的微功耗系统而言，利用太阳能实现系统能量的自动获取成为可能。虽然采用常规的分立太阳能电池单元和电源管理电路可实现电子系统能源的自供给，但常规太阳能电池的制造工艺决定其无法与CMOS电路系统单片集成，因而整体系统的体积大、成本高，难以适应微型化的发展需求。

若采用与标准CMOS工艺兼容的微型太阳能电池与电源管理电路和微功耗系统单片集成，即可实现片上供电，降低系统体积和成本，又使系统的集成度和功能不断提高。然而，受硅基标准CMOS工艺的限制，片上太阳能电池的衬底寄生二极管的反向泄漏损耗显著，目前还难以找出有效的隔离方法消除衬底影响。因此，基于标准CMOS工艺实现的微型太阳能电池多采用单元并联方式提高输出功率，因而开路输出电压较低（通常在0.5V附近）。此外，太阳能电池的输出特性具有非线性，其输出功率受光照强度、环境温度及负载情况的影响，因而采用太阳能电池难以直接驱动后继负载电路的工作，需要在其后增加电源管理电路，实现稳定的输出电压。

发明内容

为克服现有技术的不足，提高片上供电系统的整体效率，为射频识别、无线传感网络节点等微功耗系统提供持久、稳定的能源供给，为此，本发明采用的技术方案是，片上集成太阳能电池供电系统，包括：

一组太阳能电池单元，该太阳能电池单元由标准CMOS工艺制备，并采用金属互连工艺实现并行连接；

一个能量收集模块，该模块包括环形振荡器、多级串联的电荷泵和一个储能电容，其作用是将片上太阳能电池的输出电压升高，并将能量存储在储能电容C_S中；

一个控制电路，其作用是监控储能电容两端的电压V_S，在储能电压V_S被提升到门限电压V_H之前，控制电路的开关断开，储能电容C_S中断向后继电路提供能量，当储能电压V_S达到门限电压V_H时，控制电路的开关闭合，储能电容C_S通过线性稳压器给负载电路提供稳定的工作电压V_DD；当储能电容C_S的能量泄放完毕后，控制电路的开关断开，储能电容C_S重新开始充电，重复上述过程；

一个线性稳压器，包括启动电路、带隙基准和运算放大器，其作用是为负载电路提供稳定的工作电压V_DD。

根据太阳能供电系统所驱动微系统的功耗和工作周期，储能电容C_S可用片上集成的MOS电容、PN结电容或MIM电容实现，也可选用片外的传统电容器。

根据负载电路工作电压V_DD的大小，调节电荷泵的级数，以满足负载电压对储能电容最大电压值的要求，通过调节稳压电路中负载电阻的比例，使输出电压稳定在V_DD。