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关键词： 温差发电   DC-DC   升压   低功耗   线性稳压器  

摘要： 当今便携可穿戴设备在医疗和健康领域应用广泛,其中设备供电常为自充能储能器件电路架构和储能器件供电电路架构两种,而自充能储能器件电路架构相比于储能器件供电电路架构来说具备更小体积、更长使用寿命和极低替换频率等诸多优点。自充能储能器件电路的充能能量来源常有太阳能、震动能、热能和射频等环境能量,通过内部的能量管理电路将这些环境能量转化为电能,为微型设备的储能器件充电和电路供电,极大降低了设备内储能器件体积,并增强了设备的续航时间。本文研究的应用方向是人体周边便携可穿戴设备,而温差热能是最容易从人体上得到的环境能量,因此本文重点研究了用于温差发电的能量提取和管理电路,着眼于能量提取、转换和管理电路的超高转化效率和极低待机功耗等特性。基于以上需求,本文设计了一款用于温差发电能量提取和管理的集成电路,通过工作在断续模式下的DC-DC升压结构,提取和管理温差发电器件所产生的能量。本文首先基于温差发电器件(TEG)的器件特性建立其等效电路模型,然后分析目前已有的TEG器件能量管理架构,提出初步系统架构,在详细分析各类DC-DC升压转换器的工作原理和优缺点的基础上,结合低功耗设计技术,设计并实现了一款用于温差发电器件最大功率提取和能量管理的电路。该电路包括两个部分,前级是基于功率电感的DC-DC升压转换器,提供较大电压转换比,将电压抬升到1.2V左右,可为储能器件充电和数字模块供电,后级是低压线性稳压器(LDO)输出0.8V,提供低纹波电压,可为低功耗电路和模拟模块供电。内部主要电路模块包括:低压迟滞启动电路、最大功率转换电路(MPPT)、过零检测比较器电路(ZCD)、输出反馈电路和CMOS低功耗基准源电路,以及低压LDO电路。电路通过低压迟滞启动电路检测TEG器件电压,在高于启动阈值时开始工作,低于最低阈值电压时关闭电路大部分模块,降低设备功耗,通过MPPT电路从TEG器件提取最大功率和确定导通时间,通过ZCD电路确定关断时间,最后通过输出反馈比较电路限制最大输出电压,保护电路不会被过压损坏。本电路设计是基于0.18μm的CMOS工艺实现,版图后仿真数据显示,迟滞电路的电压迟滞范围为20mV～60mV,工作电流为308.8nA@27℃,因此能量管理电路可在温差发电器件电压大于60mV时启动,低于20mV时关闭电路,降低工作损耗。CMOS基准源的基准电压经过Monte-Carlo仿真显示基准电压均值为589.901mV,500个样本基本都在±3 σ的范围以内,基准电压较为稳定,在温度从-40℃到120℃范围内的温度系数为31.4ppm/℃。其中基准源电路包括基准电压电路、基准电流电路和宽摆幅电流镜电路,整体工作电流为655nA@25℃。低压差线性稳压器电路的效率为66.2%@VDD=1.2V,DC-DC升压转换器的效率为65.2%@VIN=50mV,整体电路在待机时工作电流为1.31μA,版图的整体面积为0.2746mm2。因此本文设计的用于温差发电能量提取的片上能量管理电路适用于便携可穿戴设备中。

关键词： 集成电路企业   成本核算   问题   对策  

摘要： 面对竞争激烈且复杂多变的市场环境，集成电路企业需要不断提高自身的经营管理水平，实现降本增效，进一步维持自身的竞争优势。集成电路是现代电子工业中的关键部件，具有集成度高、功耗低、尺寸小、速度快和使用寿命长等特点。信息化时代，各种电子产品得到广泛应用，集成电路企业的重要性不容忽视。本文主要探讨集成电路企业成本核算过程中存在的问题，包括存货成本核算与产成品入库成本核算等。同时，提出相应的对策，以提高集成电路企业成本核算的准确度，为实现企业持续发展提供有力支持。

关键词： 模拟集成电路   神经网络   支持向量回归机   群体智能优化算法   辅助设计  

摘要： 随着硅基集成电路制造工艺的飞速发展,其设计难度和研发周期已成指数型上涨。其中,数字集成电路已经有十分成熟的EDA设计和性能验证工具及相关标准化流程,可以有效加速数字集成电路的研发进程。与之相比,模拟集成电路缺乏快速、可靠的自动化辅助设计和验证工具,只能依赖传统的SPICE等仿真软件进行人为手工迭代设计。近年来,随着类脑神经网络在数据建模、图像分聚类等信息处理领域的广泛应用及其技术理论的不断成熟,借助神经网络建模技术以辅助模拟集成电路的高精度设计和验证加速已成为电子设计自动化(EDA)领域一个具有重要探索价值的研究方向。 模拟数字转换器(ADC)为连接自然世界和虚拟世界的接口电路,数字信号处理系统无法直接处理自然界当中的模拟信号,而需通过ADC电路通过近似、量化等离散化操作首先将模拟信号转换成对应的数字信号。因此,ADC也可看作是数模混合信号CMOS集成电路中最具代表性、最为重要的模拟信号处理电路之一。本研究选用逐次逼近型(SAR)ADC中的三个典型的模拟电路模块作为实验对象,构建神经网络及其衍生复合算法以实现自举采样开关、模拟比较器和运算跨导放大器(OTA)电路的高精度、高效率电路建模及辅助性能求解。 采用支持向量回归机(SVR-machine)和差分进化(DE)算法,为自举采样开关构建准确、可靠的多设计参数与多性能指标的多维变量响应模型以辅助实现高精度的仿真设计,建模运行时间为1784.323033秒,核心MOS器件参数的预测误差分别可低至2.17%、1.51%、0.42%;采用响应曲面法实现电路建模所需核心器件数量的压缩及其训练数据集的优选,最终经比较评估选取Elman神经网络和粒子群优化算法,针对比较器电路实现了小数据量的精准RSM-PSO-Elman复合建模,总耗时96.651192秒,预测误差分别为0.14%、0.02%、0.23%和0.03%;采用传统的误差反向传播(BP)神经网络构建OTA功能电路的响应模型,进一步借助遗传算法可高效获取全局最优解的参数求解优势,实现对神经网络建模的调参优化,从而有效提升了OTA模型的拟合度。整体耗时114080.288447秒,GABP神经网络模型的预测误差分别为1.02%、1.68%和0.08%。上述研究均可达到误差需低于3%的建模评价标准,验证了采用该算法方案实现相关电路建模的有效性和准确性。 综上所述,通过采用多种用于最优参数求解的群体智能优化算法与神经网络建模算法相融合,本研究实现了典型SAR-ADC电路中的自举采样开关、模拟比较器和OTA三个主要模拟功能模块的高精度、高效率建模,有效降低了对设计师经验的依赖度,可服务于需反复计算迭代、易错耗时的模拟集成电路的性能仿真与参数优化求解的辅助设计。

关键词： 保密通信   超混沌系统   电路设计   状态反馈控制器   同步控制  

摘要： 混沌是确定性非线性动力学系统对于初始值具有敏感性的非周期有界动态行为，混沌运动是在确定性系统中出现的类随机过程。混沌的基本特性是具有有界性、遍历性、随机性、分维性、标度性、普适性、正的Lyapunov指数，故用于信息安全中具有很强的可靠性。非线性函数在构造混沌系统中具有重要作用，其中双曲正弦函数的双曲特性在构造非线性电路中具有十分重要的意义。状态反馈控制器在构造超混沌系统中具有关键作用，与低维混沌系统相比，超混沌系统的输出序列具有更高的随机性，密钥参数，更复杂的拓扑结构，因此可以应用在信息加密，保密通信和混沌雷达等方面。本文结合混沌理论在信息工程领域的发展，主要研究非线性函数对混沌系统的作用，超混沌系统的动力学行为分析，同步稳定性以及在保密通信方面的应用，研究内容包括：　　（1）混沌系统中包含的非线性函数备受关注。通过提出一种具有多翼吸引子的新四维混沌系统，该系统包含了具有非线性的双曲正弦函数，会引起混沌吸引子发生巨大变化。当单参数改变时，会产生单、双、四翼混沌吸引子。分析了混沌系统的动力学行为，发现该系统具有共存吸引子。推导了一种自适应同步控制方法，可以使得误差系统在原点处逐渐稳定，实现了具有未知参数的混沌同步。设计并在FPGA硬件中实现了一种新的混沌系统电子电路，以说明其存在的准确性和有效性。　　（2）通过引入状态反馈控制器构造超混沌系统，提出了一种具有超混沌吸引子的新五维超混沌系统。分析了其典型的动力学行为，通过MATLAB和Multisim仿真以及电路实验验证了超混沌吸引子的存在。利用Lyapunov稳定性理论实现了系统的错位和自适应同步控制方法。在此过程中，用两种同步方法比较了不同情况下的同步速度。实验结果表明，错位同步会在更短时间内收敛到同步状态。并用基本的电子元器件实现了超混沌电路，以说明设计的正确性和合理性。　　（3）通过主动控制同步方法，介绍了一种新的类Lorenz超混沌系统保密通信方案，能够提高传输信号安全性能。通过MATLAB仿真分析了超混沌系统的动力学行为。通过 Multisim 仿真设计电路，实现了信号的加密传输和解密，并且分析了输入信号强度，频率、电子元件精度等对于保密通信影响。电路设计简单，可以进行超混沌同步，非同步，有无调制信号的实验。使用基本电子元器件进行了模拟电子电路实验，证明了超混沌调制保密通信设计的有效性和准确性，这种保密通信电路工作稳定、失真小、调试容易、便于批量生产，还拥有较高的带宽特性，可以通过本保密通信的加密使得信息的安全性显著提高。　　综上，本文的研究内容对分析混沌系统的复杂动力学行为具有一定的参考价值，对于超混沌系统的保密通信应用提供了理论支持。

关键词： 锂电池   多模式充电   功率检测   低噪声低压差线性稳压器  

摘要： 进入二十世纪以来,科技在飞速地进步,便捷式电子设备进入各个领域,激烈的竞争促使便捷式电子设备愈加多样化,功能也愈加齐全。其中最具代表性的当属手机与电脑,二者的供能问题一直都是国内外学术界与产业界的研究热点。锂电池凭借其绿色环保、可循环次数多、比能量密度大、质量轻、无记忆效应等优点在可充电电池中脱颖而出。锂电池的充电方式与放电程度会直接影响到它的可循环次数,过温、过流、过压等异常情况在芯片中时有发生,所以为锂电池设计管理电路必不可少。本文正是以这样的研究背景为依据,设计了一款基于功率检测的锂电池充放电管理芯片,为便捷式电子设备提供一套电池管理解决方案。本文设计的基于功率检测的锂电池充放电管理芯片具备以下功能:(1)输入电压稳压处理,为后级电路供给一个“干净”的电源电压;(2)状态监测模块监测低噪声LDO输出端、电池端和负载端的电压情况,产生相应的标志位信号;(3)多模式充电电路实现锂电池涓流-短恒流-定频快脉冲-定频慢脉冲高效率充电;(4)功率检测电路检测输入功率强弱,进而选择对锂电池进行定频还是变频脉冲充电;负载输出功率控制环路调节供给负载功率的大小;(5)内阻补偿网络在短恒流充电阶段进行锂电池内阻检测,消除其对充电过程切换的误判断;(6)保护电路不仅在锂电池放电过程中对电流和电压进行精密控制,还保证芯片工作在合适的温度范围内。本文设计的基于功率检测的锂电池充放电管理电路采用0.18μm BCD工艺,输入电压范围为6-7 V,有负载接入时,输出电压为2 V。前级低噪声LDO输出电压为4.5 V,不同工艺角下积分噪声均低于10μV;50 m Ah的锂电池由160 mΩ电阻和50μF超级电容代替,内阻补偿网络实现了160 mΩ内阻的补偿;锂电池经涓流-短恒流-定频快脉冲-定频慢脉冲充电后,达到满充电压4.2 V,其中定频脉冲的频率为100 k Hz,快和慢脉冲的占空比分别为75%和25%。

关键词： 电子引信   升压起爆电路   硬件设计   CPLD   安全控制   软件仿真  

摘要： 引信电子升压与起爆相比传统的机械起爆方式,具有高精度、稳定性强、安全可靠等优点,能够满足现代军事和民用领域的需求,具有广泛的应用前景。本文从电路设计和安全控制角度出发,对设计的电路和程序加以仿真与试验验证,完成了引信电子升压与起爆的研究设计。首先根据对常用开关电源结构及特性的分析,确定以反激拓扑结构作为升压主电路,在此基础上详细研究反激式变换电路的工作原理;分析升压解除保险安全控制理论后,确定了解除保险的环境数目,并根据保险件组合类型确定了两个静态电保险加一个动态电保险的解除保险方式;分析了关键技术并设定了控制流程,完成升压与起爆电路及其安全控制的方案设计。其次设计了能够满足用电需求的电源模块,包括DC-DC隔离、线性稳压器、控制芯片用电以及隔离驱动电源;将解除保险升压电路中两个静态保险开关设置为具有完全不同的有效形式,并完成了动态开关设计;利用固态脉冲开关作为高压开关,配合隔离驱动以及浪涌保护,采用双重保险以及与解除保险电路相反的控制形式设计了起爆触发电路,完成了起爆电路设计。根据安全控制设计方案以及模块化思想,配合设定的解除保险信号,将CPLD与FPGA的内部设计划分为具有不同功能、相互独立的模块,使用Quartus II软件并采用Verilog语言完成了程控设计。最后利用PSpice软件搭建了升压主电路仿真模型,完成了高压电容充电的可行性验证;搭建了起爆回路电路模型,对不同参数的影响进行仿真分析;利用Modelsim对CPLD与FPGA的控制程序进行仿真验证,结果与安全控制流程设定保持一致。设计并完成了解除保险升压充电测试,进行了爆炸箔起爆观察。升压与起爆仿真、控制程序仿真以及试验均表明电路设计、安全控制达到要求,能够完成升压起爆。

关键词： GaN栅驱动   自举充电控制电路   电平位移电路   驱动级电路  

摘要： 随着第三代半导体典型代表GaN技术的不断发展,相比于传统Si器件,GaN器件具有更低的导通阻抗和无反向恢复损耗等优势物理特性,因此基于GaN功率器件设计的高功率密度、高可靠性的电源系统逐渐得到市场广泛应用。其中功率器件的栅驱动芯片作为开关电源转换的重要组成部分,但是增强型GaN功率器件及其栅驱动芯片在设计过程中存在一定的可靠性问题,因此设计高可靠性、高性能的GaN栅驱动电路对于GaN的技术发展具有重要意义。本文通过对增强型GaN功率器件栅驱动电路的可靠性问题及研究现状进行分析,发现目前存在的关键可靠性问题主要包括半桥功率级开关节点在死区时间内的严重负压可能导致自举电容过冲,影响高侧电源轨供电的可靠性;功率器件在发生高频开关转换产生的快速瞬态电流和电压变化会通过寄生参数串扰影响逻辑信号的正常传输。因此针对上述问题,本文设计了一款高可靠性全集成GaN半桥栅驱动芯片。基于现有增强型N沟道GaN器件工艺对栅驱动系统部分子模块结构进行优化和设计。针对传统高侧自举供电技术进行改进,设计了基于低侧驱动级输出信号经过电荷泵电路控制增强型N沟道GaN开关管,实现对自举电容的快速可靠充放电过程;针对开关节点的快速高电压变化d V/dt过程和开关节点的死区负压问题,本文提出了增强CMTI能力和抗死区负压的短脉冲触发与PWM控制结合的电平位移电路。另外本文设计的欠压锁定电路,通过电流控制和阈值比较实现欠压逻辑信号的产生,保证电源轨下信号传输的可靠性;设计的驱动级电路通过多级自举反相器级联和双N管输出,实现了驱动级电路的低延时和抑制开关节点的寄生串扰。本文基于0.8μm的全集成GaN on SOI工艺,运用Cadence仿真软件对所设计的高可靠性GaN半桥栅驱动电路及其关键子模块进行设计和仿真验证。在典型48V的半桥输入电压,1MHz的开关频率下,仿真结果得到信号传输延时在18ns左右,延时匹配在1ns以内,CMTI能力达到42V/ns。