研究人员开发出了一种用于辅助电池直流能量收集系统的超低电压延迟元件。通过插入一个低电压电平移位器(VLS)，可以获得更宽的电压范围来偏压延迟元件体。这样，延迟元件的电压转移曲线(VTC)和直流增益都得到了增强。由于VLS的引入，由延迟元件构成的冷启动环形振荡器可以在极低的输入电压下实现振荡。采用标准180nm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺，实现了具有21级的全集成冷启动环振荡器。布置后的实验结果表明，冷启动环振荡器在室温条件下，在一个典型的角落，当电源电压为24mv时仍能保持振动。在VDD = 40 mV的情况下，基于延时元件的冷启动环振荡器的输出电压摆幅比基于叠加逆变器的冷启动环振荡器提高了55%以上。对100个样本的蒙特卡洛仿真表明，在过程变化的情况下，该延迟单元增强了输出波动。

 相关论文以题为“     Low Voltage Delay Element with Dynamic Biasing Technique for Fully Integrated Cold-Start in Battery-Assistance DC Energy Harvesting Systems    ”于北京时间2020年10月07号发表在《     Applied Sciences    》上。

 如何延长电池寿命是世界各地研究人员和工程师的主要目标之一。模拟/射频(RF)电路模块通常控制整个系统的功耗。 尽管低功耗研究已将模拟/ RF模块的功耗降低到了mW 以下，但要使系统能够在不更换电池的情况下工作超过十年仍是一项挑战。物联网(IoT)的出现需要数千个节点来实现万物的连接。为这些节点更换电池将带来巨大的成本，并成为物联网应用部署的障碍。  为了解决这个问题，能量收集技术作为一种潜在的候选技术已经吸引了大量科学家的研究。

 研究人员提出了无电池能量收集系统和电池辅助能量收集系统，如图1所示。对于无电池储能系统，如图1a所示，从根本上解决了更换电池的问题，负载所消耗的能量全部来自周围环境。 多余的能量储存在芯片外的超级电容器上。无电池能量收集系统的主要问题是系统的启动阶段，在初始阶段，周围的能量可能无法激活整个系统。然而，电池辅助的能量收集系统采用可充电电池作为蓄能器，可提前存储可用能量，如图1b所示;剩余的能量也可以储存在这个可充电电池上。虽然电池辅助的能量收集系统不能完全解决电池更换的问题，但是这种解决方案可以降低电池更换的频率，实现可充电电池的自充电。  因此，与传统的电池驱动的物联网节点相比，电池辅助的能量收集系统可以大大延长电池寿命。

 图1.能源收集系统的一般类别:(a)无电池能源收集系统;(b)电池辅助能源收集系统。

 无论是无电池储能系统还是辅助电池储能系统，其主要问题之一是如何在输入电压不足时激活整个系统。这种应用场景是最常见的模式，因为周围源产生的电压是低的和不稳定的。 因此，如何实现低压冷启动在过去几年中得到了广泛的研究。目前已有几种解决该问题的技术，可分为四类:机械法、变压器法、电感法和全集成法。虽然前三种方法可以实现极低的冷启动电压，通常低于50mv，但很难将核心器件与其他电路集成在一个芯片中。  因此，它不仅使成本增加，而且扩大了形式因素。为了实现全集成解决方案，基于环形振荡器的冷启动方案是一种全集成解决方案，已经引起了大量研究。

为了保证冷启动环振荡器能够在低电压下实现振荡，从电路级提出了几种技术。然而，在这些工作中，最小冷启动电压仍然不足以实现30 mV以下的启动。本文提出了一种基于低压延迟元件的低压启动环形振荡器，用于辅助电池直流能量采集系统。利用电池产生的高压(VDDH)在极低的输入电压(Vin)下辅助冷启动环振荡器的振荡。

 逆变器的VTC和DC增益

对于一般的逆变器，用VTC来描述输入节点和输出节点之间的特性。当输入电压较低时，由于下拉晶体管关闭而上拉晶体管打开，输出电压较高。同样，输入电压高时输出电压低，如图2a所示。但随着电源电压(VDD)的降低，VTC呈逐渐变平的趋势，如图2a中VDD = 20 mV的曲线所示。这种趋势是由通电流和离电流的离子/离子比值恶化引起的。随着VDD的减少，离子急剧下降。当离子小于ioff时，输出电压不能随着输入电压的变化而反转，形成扁平化趋势。

 图2.逆变器降低电源电压时的电压转移曲线(VTC)和增益曲线:(a) VTC;(b)直流增益曲线。

 冷启动环形振荡器的低压延迟元件概述

为了实现直流能源(即热源和光源)的完全集成冷启动方案，已经报道了几种用于冷启动环形振荡器的低压延迟元件。表1总结了这些工作和报告的冷启动电压。文献中报道的最小冷启动电压为36 mV。这与其他非完全集成的方案相比，这个最小冷启动电压仍然不足以满足实际情况。

 表1. 冷启动环形振荡器概述。

如图3a所示，为了保证逆变器的低压运行，提出了一种施密特触发器逻辑逆变器。输出信号用于引导信号通路的泄漏电流，从而使漏极和源Vds之间的电压最小化到零。从而减小了Vds引起的泄漏电流，改善了信号摆幅。但由于输出电压Vout总是滞后于输入电压Vin的变化，因此反馈信号抑制了该结构内部节点的状态变化。为了解决这个问题，研究人员提出了一种新的延迟元素，称为选择性ST逻辑，如图3b所示。插入晶体管MN4和MP4，由输入信号控制，当输入信号发生变化时，将反馈信号关闭。采用这种结构，克服了ST逻辑逆变器的缺点。

在图3c,研究人员提出了一个堆叠中逆变器的反馈路径和相应的晶体管MN3在图3 b和MP3,这上拉晶体管MP2和下拉晶体管MN2提出的两个输入信号控制逆变器供应铁路和地面之间的铁路。为了在更低的电源电压下获得更好的离子/ioff，研究人员用两个堆叠的逆变器代替了图3c中的两个输入信号控制逆变器，如图3d所示。虽然在这种配置下实现了更大的输出摆幅，但输入信号的加载条件也增加了，切换速度也降低了。为了进一步提高超低电压延迟元件的性能，研究人员将提出一种新的延迟元件，其中插入一个电压电平移位器(VLS)来辅助体偏置。  因此，在辅助电池直流能量采集系统中，利用来自电池的高压对机体进行偏置，并根据输入信号动态调整核心逆变器的阈值电压。

 图3.已发布延时元件电路:(a)施密特触发器逆变器;(b)选择性施密特触发器逆变器;(c)堆叠逆变;(d)冗余逆变。

 结论

 在本文中，研究人员提出了一种改进的冷启动环振荡器延迟元件，可应用于电池辅助直流能量收割机:例如，可穿戴设备中的电池辅助热电能量收集系统;由于蒙皮与周围环境的温差只有1-2℃，能量收割机产生的输入电压在大多数情况下只有25-50 mV。 通过插入VLS来实现对晶体管阈值电压的动态控制，从而使具有这种延迟元件的冷启动环形振荡器在离子大幅增强的情况下可以在较低的电源电压下振荡。在考虑物理布置寄生参数的情况下，设计了21级延迟元件的冷启动环形振荡器在典型工艺角的室温下可以保持在VDD = 24 mV的振荡。100个样品的布置后MC实验结果表明，与其他报道的冷启动环振荡器相比，输出电压摆幅更宽。因此，在VLS的帮助下，由延迟元件构成的冷启动电路可以使整个能量收集系统在低输入电压下从源处收集能量。  该方案具有巨大的潜力，对未来电池辅助物联网节点和身体穿戴应用具有价值。