KR101820665B1 - A cmos full-wave rectifier for bio-implant devices - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생체 이식 디바이스용 CMOS 전파 정류기에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 누설전류를 최소화하고 문턱전압을 제거함으로써 무선으로 전력을 공급받는 저전압의 생체 이식이 가능한 시스템이나 디바이스에서의 전원 문제를 해결하는 고효율의 CMOS 전파 정류기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS full wave rectifier for a living body implantable device, and more particularly, to a CMOS full wave rectifier for a living body implantable device, To a CMOS full wave rectifier.
Description
본 발명은 생체 이식 디바이스용 CMOS 전파 정류기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 누설전류를 최소화하고 문턱전압을 제거함으로써 무선으로 전력을 공급받는 저전압의 생체 이식이 가능한 시스템이나 디바이스에서의 전원 문제를 해결하는 고효율의 CMOS 전파 정류기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근 장기간 사용이 필요한 심박 조율기, 인공심장, 기능성 전기적 시뮬레이터, 모니터링 장치와 망막 시뮬레이터와 같은 생체 이식 디바이스의 공급이 확대됨에 따라 이러한 디바이스에 전력을 공급하기 위한 기술에 대한 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다.Recently, as the supply of bio-implantable devices such as pacemakers, artificial heart, functional electric simulators, monitoring devices and retinal simulators that require long-term use has expanded, research and development of technology for supplying power to such devices has been actively carried out have.
생체 이식 디바이스의 구동을 위해서는 충분한 양의 전력 공급이 필요하며, 이는 제한된 에너지원을 이용하고 있기 때문에 단순히 전력 변환 효율만 높다고 해결될 수 있는 문제는 아니다.A sufficient amount of power supply is required for driving the biomedical device, and this is not a problem that can be solved simply because the power conversion efficiency is high because it uses a limited energy source.
생체 이식 디바이스에서의 전력공급 기술로는 내장형 배터리를 포함하는 방법과 피부에서 전력을 수집하는 경피 전력 수집 방법 등이 사용된다.Power supply technologies in biomedical devices include methods involving embedded batteries and transcutaneous power collection methods that collect power from the skin.
이러한 전력 공급 방법들은 에너지 밀도, 디바이스의 수명, 구현방법, 구조적 제한이 있고 또한, 인간에게 완전히 무해하다고 할 수 없기 때문에 생체 이식 디바이스에 적용하기에는 상당히 제한적인 방법이라 할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 무선 전력 공급 기술의 개발에 집중하고 있으며, 특히 무선 전력 공급의 한계점에 달하는 전력 공급 거리에서도 전력 공급을 가능하게 하기 위한 노력을 기울이고 있다. 하지만 이러한 종래의 기술들은 불량 커플링, 피부에서의 전력 흡수 및 좁은 밴드-패스로 인해 매우 낮은 전력 변환 효율을 보이고 있기 때문에 이에 대한 개선이 필요하다. 따라서 전력 및 전압 변환 효율을 개선하고 안정화 할 수 있는 방법으로 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon) 정류기를 통해 무선 충전 시 사용되는 커플링 코일의 와인딩(winding)으로부터 안정적인 전력을 공급받을 필요가 있다.These power supply methods are a very limited way to apply to a biomedical device since they have energy density, device life, implementation method, structural limitations and can not be said to be entirely harmless to humans. Therefore, in order to solve this problem, recently, we are concentrating on the development of wireless power supply technology, and in particular, we are making efforts to enable power supply even at the power supply distance reaching the limit of wireless power supply. However, these conventional techniques are required to be improved because they exhibit very low power conversion efficiency due to poor coupling, power absorption in skin, and narrow band-pass. Therefore, it is necessary to supply stable power from the winding of a coupling coil used for wireless charging through a CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) rectifier in order to improve and stabilize the power and voltage conversion efficiency.
CMOS 정류기의 전압 변환 효율(Voltage Conversion Efficiency, VCE)과 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency, PCE)은 회로 토폴로지, 다이오드-장치 파라미터들, 입력 RF 신호 주파수 및 진폭과 출력 로딩 조건(loading condition)에 영향을 받는다. 무선 전력 전송 시스템에서 2차 와인딩으로부터 공급되는 입력 신호가 상당히 약하기 때문에, 낮은 턴-온 전압은 다이오드 디바이스에서 가장 중요한 요소 중 하나이다. DCT(Diode connected transister) 디바이스의 성능은 상대적으로 높은 문턱전압에 의해 제한받는다. 전압 변환 효율과 전력 변환 효율은 문턱전압제거(threshold voltage cancellation) 기술을 이용하여 극적으로 향상시킬 수 있다. 그리고 역방향 누설전류(reverse leakage current) 또한 MOS를 기반으로한 다이오드의 성능을 제한하는 또 다른 요소이기 때문에, MOS 기반의 다이오드 성능을 향상시키기 위한 다양한 문턱제거와 역방향 누설전류 제거 기술이 최근 수년간 제안되어 왔다.Voltage Conversion Efficiency (VCE) and Power Conversion Efficiency (PCE) of a CMOS rectifier are influenced by circuit topology, diode-device parameters, input RF signal frequency and amplitude and output loading conditions . The low turn-on voltage is one of the most important factors in the diode device because the input signal supplied from the secondary winding in the wireless power transmission system is considerably weak. The performance of a diode connected transistor (DCT) device is limited by the relatively high threshold voltage. Voltage conversion efficiency and power conversion efficiency can be dramatically improved by using a threshold voltage cancellation technique. Because reverse leakage current is another factor limiting the performance of MOS based diodes, various threshold rejection and reverse leakage current removal techniques have been proposed over the years to improve MOS-based diode performance come.
SVC(self-Vth-cancellation) 기술을 통한 효율 향상 방법이 Kotani 등에 의해서 제안되었다(K. Kotani and T. Ito, "High efficiency CMOS rectifier circuit with self Vth-cancellation and power regulation functions for UHF RFIDs," in Proc. IEEE ASSCC, Nov. 2007, pp. 119-122, 참고, K. Kotani and T. Ito, "Self-Vth-cancellation high-efficiency CMOS rectifier circuit for UHF RFIDs," IEICE Trans. Electron., vol. E92-C, no. 1, pp. 153-160, Jan. 2009, 참고). 상기 방법은 MOSFET의 문턱전압이 정류기 자체의 출력 전압으로부터 생성된 게이트 바이어스 전압(gate bias voltage)에 의해 제거된다. 상기 방법은 높은 역방향 누설전류의 비용으로 단순한 장치 구조를 형성을 제안한다. 또한, Kotani 등은 개선된 형태의 SVC 정류기도 제안하였다(K. Kotani, A. Sasaki, and T. Ito, "High efficiency differential-drive CMOS rectifier for UHR RFIDs," IEEE Trans. Solid-State Cir., vol. 44, no. 11, Nov. 2009, 참고). 이는 교차 결합된 차동 CMOS 구조를 적용하여 SVC 방법보다 개선된 전압 변환 효율 결과를 얻을 수 있다. 하지만 상기 방법은 만족할 만한 전압 변환 효율을 제공하지는 않는다. 그리고 능동형 정류기 구조를 기반으로 한 CMOS 인버터가 Raben 등에 의해서 제시되었다(H. Raben, J. Borg, and J. Johansson, "An active MOS diode with Vth cancellation for RFID rectifiers," in Proc. IEEE International Conference on RFID, 2012, pp. 54-57, 참고). 상기 문헌에 제시된 기술은 역방향 누설전류와 문턱전압을 모두 감소시킴으로써, 좋은 전압 변환 효율과 전력 변환 효율을 제공한다. 그리고 Le 등에 의해서 부트스트랩(bootstrap) 커패시터를 기반으로 한 기술이 정류기의 개선을 위해 제안되었다(Triet T. Le, J. Han, A. von Jouanne, K. Mayaram, and Terri S. Fiez,"Piezo electric micro-power generation interface circuits," IEEE Journal of Solid-State Cir., vol. 41, no. 6, pp. 1411-1420, Jun. 2006, 참고, S. S. Hashemi, M. Sawan, and Y. Savaria, "A high-efficiency low-voltage CMOS rectifier for harvesting energy in implantable devices," IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., vol. 6, no. 4, pp. 326-335, Aug. 2012, 참고). 상기 기술들은 메인 패스 트랜지스터의 문턱전압 효율을 감소시킴으로써 정류기의 전압 변환 효율과 전력 변환 효율을 향상시킨다.The SVC efficiency through (self-V th -cancellation) technical methods have been proposed such as by Kotani (K. Kotani and T. Ito, "High efficiency CMOS rectifier circuit with self V th -cancellation and power regulation functions for UHF RFIDs, "IEEE Proc. IEEE ASSCC, Nov. 2007, pp. 119-122, K. Kotani and T. Ito," Self-V th -cancellation high-efficiency CMOS rectifier circuit for UHF RFIDs, "IEEE Trans. , vol. E92-C, No. 1, pp. 153-160, Jan. 2009). The method eliminates the threshold voltage of the MOSFET by the gate bias voltage generated from the output voltage of the rectifier itself. The method suggests forming a simple device structure at the cost of high reverse leakage current. Kotani et al. Also proposed an improved SVC rectifier (K. Kotani, A. Sasaki, and T. Ito, "High-efficiency differential-drive CMOS rectifier for UHR RFIDs," IEEE Trans. Solid-State Circuits, vol. 44, no. 11, Nov. 2009). This results in improved voltage conversion efficiency results over the SVC method by applying a cross-coupled differential CMOS structure. However, the above method does not provide a satisfactory voltage conversion efficiency. In addition, a CMOS inverter based on an active rectifier structure is proposed by Raben et al. (H. Raben, J. Borg, and J. Johansson, "An active MOS diode with V th cancellation for RFID rectifiers, on RFID, 2012, pp. 54-57). The techniques described in this document provide both good voltage conversion efficiency and power conversion efficiency by reducing both the reverse leakage current and the threshold voltage. A technique based on a bootstrap capacitor by Le et al. Has been proposed for rectifier improvement (Triet T. Le, J. Han, A. von Jouanne, K. Mayaram, and Terri S. Fiez, "Piezo pp. 1411-1420, Jun. 2006, " SS Hashemi, M. Sawan, and Y. Savaria, " Electron Micro-Power Generation Interface Circuits, "IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. Vol. 6, No. 4, pp. 326-335, Aug., 2012). &Quot; A high-efficiency low-voltage CMOS rectifier for harvesting energy in implantable devices, "IEEE Trans. Biomed. These techniques improve the voltage conversion efficiency and power conversion efficiency of the rectifier by reducing the threshold voltage efficiency of the main path transistor.
특허문헌에 나타난 종래기술로, 미국등록특허 제8415637B2호(2013.04.09.)는 스위치모드 전압정류기, RF 에너지 변환 및 무선 전원공급기에 관한 것으로, 스위칭 토폴러지에서 문턱전압이 거의 제로인 트랜지스터를 사용한 교차 결합된 정류기를 제시하고 있으며, 역전도 문제를 해결하는 토폴러지를 제시하고 있다.U.S. Patent No. 8415637B2 (Apr. 19, 2013) discloses a switch mode voltage rectifier, an RF energy conversion, and a wireless power supply. In the switching topology, a crossing using a transistor having a threshold voltage of almost zero A combined rectifier is presented, and a topology is proposed to solve the reversal problem.
그러나 상기 선행기술은 교차 결합된 구조인 점에서 본 발명과 일부 유사하나, 본 발명의 부트스트랩 커패시터와 인버터를 사용하여 누설전류를 최소화하고 문턱전압을 제거하는 구성과는 차이가 나는 구조이다.However, the prior art is somewhat similar to the present invention in that it is a cross-coupled structure, but differs from the configuration in which leakage current is minimized and threshold voltage is removed by using the bootstrap capacitor and the inverter of the present invention.
또 다른 종래기술로, 미국등록특허 제8046081호(2011.10.25.)는 DC-프리 입력 및 출력을 가지는 이식된 시스템에 관한 것으로, 이식 가능한 전원은 외부에서 생성된 전원신호를 수신하기 위한 복수의 전원 입력 포트와 감지된 전원신호를 출력하기 위한 복수의 출력 전원 포트를 포함하며, 다이오드로 스위치되는 MOS 트랜지스터로 구성된 전파 정류기를 제시하고 있다.In another prior art, U.S. Patent No. 8046081 (Oct. 25, 2011) is directed to an implanted system having a DC-free input and output, wherein the implantable power source includes a plurality of A full-wave rectifier including a power input port and a plurality of output power ports for outputting a sensed power signal, and a MOS transistor switched by a diode.
그러나 상기 선행기술에서는 본원 발명에서 제시하는 누설전류를 최소화하고 문턱전압을 제거함으로써 무선으로 전력을 공급받는 저전압의 생체 이식이 가능한 시스템이나 디바이스에서의 전원 문제를 해결하는 고효율의 CMOS 전파 정류기에 대해서는 아무런 시사가 없다.However, in the above prior art, there is no need for a high-efficiency CMOS full-wave rectifier that solves power problems in a system or a device capable of low-voltage biotransplantation that is supplied with power by minimizing a leakage current and eliminating a threshold voltage, There is no preview.
따라서 본 발명에서는 상기 언급된 종래기술에 의한 정류기의 개선을 위하여 CMOS 인버터와 부트스트랩 커패시터를 기반으로 한 정류기 구조의 장점을 모두 가지는 방법의 생체 이식 디바이스용 CMOS 전파 정류기를 제시하고자 한다. 또한, 본 발명에서는 메인 패스 트랜지스터의 역방향 누설전류와 유효 문턱전압을 감소시키는 방법을 이용하여 상기 CMOS 전파 정류기의 전력 변환 효율과 전압 변환 효율을 향상시키고자 한다.Accordingly, the present invention proposes a CMOS full-wave rectifier for a bio-implantable device, which has the advantages of a rectifier structure based on a CMOS inverter and a bootstrap capacitor, in order to improve the conventional rectifier described above. Also, in the present invention, the power conversion efficiency and the voltage conversion efficiency of the CMOS full-wave rectifier are improved by using a method of reducing the reverse leakage current and the effective threshold voltage of the main path transistor.
본 발명은 생체 이식 디바이스와 같은 정류기를 필요로 하는 소형 디바이스에 적용하기 위해 창작된 것으로서, 종래 정류기의 문제점인 높은 구동 전압과 낮은 전력 변환 효율 및 전압 변환 효율을 향상시켜, 낮은 교류 입력 전력이 전달되는 환경에서도 높은 변환 효율을 통해 직류 출력 전력으로 변환함으로써 상기 정류기가 포함된 장치가 충분히 가동될 수 있는 생체 이식 디바이스용 CMOS 전파 정류기를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made for application to a small-sized device requiring a rectifier such as a bio-implantable device, and it is an object of the present invention to improve a high driving voltage, a low power conversion efficiency and a voltage conversion efficiency, And which can convert a DC output power into a DC output power through a high conversion efficiency even in an environment where the rectifier is used.
또한, 본 발명은 무선 충전 환경과 같이 저전압이 인가되는 환경에서도 무리없이 턴-온 될 수 있는 낮은 구동 전압의 고효율의 CMOS 전파 정류기를 구현하여 생체 이식이 가능한 시스템이나 디바이스의 전원 문제를 해결할 수 있는 생체 이식 디바이스용 CMOS 전파 정류기를 제공하는 것을 목적으로 한다.Also, the present invention provides a high-efficiency CMOS full-wave rectifier of a low driving voltage that can be turned on even under an environment where a low voltage is applied, such as a wireless charging environment, A CMOS full wave rectifier for a living body implant device.
본 발명의 일 실시예에 따른 생체 이식 디바이스용 CMOS 전파 정류기는, 부트스트랩 커패시터(C1, C2), 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터, 및 인버터를 포함하며, 상기 인버터가 상기 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터로 인한 역방향 누설전류를 차단하는 것을 특징으로 한다.A CMOS full-wave rectifier for a bioimplant device according to an embodiment of the present invention includes a bootstrap capacitor (C1, C2), a cross-coupled differential CMOS transistor, and an inverter, wherein the inverter is connected to the cross- And the reverse leakage current caused by the reverse leakage current is cut off.
또한, 상기 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터는, 한 쌍의 nMOS(M1) 트랜지스터와 pMOS(M3) 트랜지스터가 다른 한 쌍의 nMOS(M2) 트랜지스터와 pMOS(M4) 트랜지스터가 서로 브리지 형태로 교차 결합된 것을 특징으로 한다.In addition, the cross-coupled differential CMOS transistor includes a pair of nMOS (M2) transistors and a pMOS (M4) transistor which are cross-coupled to each other in a bridge form, wherein a pair of nMOS (M1) and pMOS .
또한, 상기 인버터는, 전력원 및 차동모드에 연결된 트랜지스터(M14, M16)를 통해서 제어되는 DCT(Diode Connected Transistor)(M13, M15)를 입력으로 하여, 입력되는 전력원(VAC)에 대한 음의 반주기(VRF-) 동안 메인 패스 트랜지스터(M3)를 턴-오프하는 것을 특징으로 한다.The inverter also includes DCT (Diode Connected Transistors) M13 and M15 controlled through the transistors M14 and M16 connected to the power source and the differential mode, And turns off the main path transistor M3 during the half period (VRF-).
또한, 상기 CMOS 전파 정류기는, 부트스트랩 커패시터에 직렬로 연결된 DCT(M11, M12)를 더 포함하며, 상기 인버터는, 양의 반주기(VRF+) 동안 임계 제거 동작을 수행하며, 트랜지스터 M8이 온되어, DCT(M11)를 통해서 부트스트랩 커패시터(C1)를 충전하며, 음의 반주기(VRF+) 동안 임계 제거 동작을 수행하며, 트랜지스터 M8이 온되어, DCT(M11)를 통해서 부트스트랩 커패시터(C1)를 충전함으로써, 메인 패스 트랜지스터(M3)에 대해서 회로 내 임계 제거(in-circuit threshold cancellation)를 활성화하며, 음의 반주기(VRF-) 동안 차동모드 트랜지스터(M14)를 통해서 트랜지스터 M7이 온되어, 메인 패스 트랜지스터(M3)의 드레인과 게이트 사이의 전압이 0이 되도록 함으로써, 메인 패스 트랜지스터(M3)를 통한 역방향 누설 전류가 차단되는 것을 특징으로 한다.The CMOS full-wave rectifier further includes a DCT (M11, M12) connected in series to a bootstrap capacitor, the inverter performing a threshold removal operation during a positive half period (VRF +), the transistor M8 being on, The bootstrap capacitor C1 is charged through the DCT M11 and the threshold canceling operation is performed during the negative half cycle VRF + while the transistor M8 is turned on to charge the bootstrap capacitor C1 through the DCT M11 Thereby activating the in-circuit threshold cancellation of the main path transistor M3 and turning on the transistor M7 through the differential mode transistor M14 during the negative half period VRF-, The reverse leakage current through the main path transistor M3 is cut off by making the voltage between the drain and gate of the transistor M3 equal to zero.
또한, 상기 CMOS 전파 정류기에서, 상기 DCT(M13)는 인버터의 트랜지스터(M7, M8)의 온오프 스위칭을 모니터링하되, VRF+ < VOUT이면, M7=ON, M8=OFF VRF+ > VOUT이면, M8=ON, M7=OFF로 스위칭하는 것을 특징으로 한다.Further, in the CMOS full-wave rectifier, if the DCT (M13) is, but to monitor the on-off switching of the transistors (M7, M8) of the inverter, VRF + <If V OUT, M7 = ON, M8 = OFF VRF +> V OUT, M8 = ON and M7 = OFF.
또한, 상기 CMOS 전파 정류기는, 상기 부트스트랩 커패시터(C1)의 양단에 병렬로 연결된 커패시터 방전용 MOS 트랜지스터(M17, M18)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The CMOS full-wave rectifier further includes capacitor discharge MOS transistors M17 and M18 connected in parallel to both ends of the bootstrap capacitor C1.
또한, 상기 CMOS 전파 정류기는, DCT(M5) 및 출력 커패시터(CL)를 더 포함하며, 양의 반주기(VRF+)에서, 인버터의 트랜지스터(M8)는 온이며, 커패시터 방전용 MOS 트랜지스터(M17, M18)은 오프가 되고, 상기 DCT(M5)는 VOUT = (VRF+) - Vth_M5일 때까지 VRF+의 상승시간 동안에 출력 커패시터(CL)를 충전하는 보조 패스를 생성하는 것을 특징으로 한다.Further, the CMOS full-wave rectifier further includes a DCT (M5) and an output capacitor (CL), and in a positive half period (VRF +), the transistor M8 of the inverter is on and the capacitor discharge MOS transistors M17 and M18 ) Is off and the DCT (M5) generates an auxiliary path charging the output capacitor (CL) during the rise time of VRF + until V OUT = (VRF +) - V th - M5.
또한, 상기 CMOS 전파 정류기는, 출력 노드가 충전됨에 따라, 부트스트랩 커패시터(C1)도 또한 DCT(M11)를 통해서 충전되며, 부트스트랩 커패시터(C1) 양단의 전압은 VC1 = (VRF+) - Vth _M5 - Vth _M11 - Vth _M8에서 VC1 = VOUT - Vth _M11 - Vth _M8로 상승하는 것을 특징으로 한다.The CMOS full-wave rectifier is also configured such that as the output node is charged, the bootstrap capacitor C1 is also charged through the DCT M11, and the voltage across the bootstrap capacitor C1 is V C1 = (VRF +) - V _M5 th - V th _M11 - characterized in that the increase in V th _M8 - in V th _M8 V C1 = V OUT - V th _M11.
또한, VC1 = (VRF+) - 2Vth(pMOS) - Vth_M8인 것을 특징으로 한다.Further, V C1 = (VRF +) - 2V th (pMOS) - V th - M 8 .
또한, 상기 pMOS(M3) 트랜지스터의 소스와 게이트 간의 전압은 VSG _M3 = (VRF+) - Vth _M8 - VC1 혹은 VSG_M3 = VSG _M3 = Vth _M11 + Vth _M5 > Vth _M3일 때, M3는 도통이 되고 출력 노드를 충전하게 되며, VSG _M3가 Vth _M3에 도달하기 전에 M3는 컷오프된 상태로 남아 있게 되는 것을 특징으로 한다.Further, the pMOS (M3) the voltage between the source and the gate of the transistor V SG _M3 = (VRF +) - V th _M8 - V C1 or V SG_M3 = V SG _M3 = V th _M11 + V th _M5> V th _M3 one time , M3 is conducting and is charged to the output node, and the M3 is characterized in that it remains in the cut-off state before the V SG _M3 to reach V th _M3.
또한, (VRF+) - Vth _M8 - VC1 ≥ Vth _M3이며, Vth _M3 = (VRF+) - Vth _M8 - VOUT + Vth _M11 + Vth _M8, VOUT = (VRF+) - (Vth _m3 - Vth _M11)이며, 상기 pMOS(M3) 트랜지스터의 유효 임계 전압은 줄어드는 것을 특징으로 한다.In addition, (VRF +) - V th _M8 - V C1 ≥ a V th _M3, V th _M3 = (VRF +) - V th _M8 - V OUT + V th _M11 + V th _M8, V OUT = (VRF +) - (V _m3 th - V th is _M11), the effective threshold voltage of the pMOS (M3) transistors are characterized by shrinking.
아울러, 상기 CMOS 전파 정류기는, 생체 이식 디바이스의 전원장치로 사용되는 것을 특징으로 한다.In addition, the CMOS full wave rectifier is used as a power source device of a living body implantable device.
또한, 상기 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터에서, nMOS(M2) 트랜지스터는 출력 커패시터 CL을 충전하기 위한 리턴 패스를 생성하며, 상기 M2의 게이트는 차동 모드 신호에 의해서 활성되도록 바이어스 되며, VRF+에서 상기 M2의 게이트 전압은 포지티브로 바이어스 되고 M2의 턴온 전압을 효과적으로 감소시켜, 온저항을 줄여주는 것을 특징으로 한다.In addition, in the cross-coupled differential CMOS transistor, the nMOS (M2) transistor generates a return path for charging the output capacitor CL, the gate of M2 being biased to be activated by the differential mode signal, The gate voltage is positively biased and effectively reduces the turn-on voltage of M2, thereby reducing on-resistance.
또한, DCT(M5)의 bulk는 DBS(Dynamic Bulk Switch)에 의해서 가용한 최고의 전압에 연결되는 것을 특징으로 한다.Also, the bulk of the DCT (M5) is characterized by being connected to the highest voltage available by DBS (Dynamic Bulk Switch).
본 발명은 저전압의 생체 이식이 가능한 시스템이나 디바이스 또는 소형 RFID 태그와 같은 다양한 소형 디바이스에 활용 가능한 CMOS 전파 정류기에 대한 기술이다. 상기 정류기는 단순한 구조를 통해 소형화 하였고, 소형화된 상기 CMOS 전파 정류기는 최근 주목받고 있는 통합형 회로를 구성함에 있어서 높은 효용성을 보일 수 있다. 상기 CMOS 전파 정류기는 차동 모드의 게이트가 교차 결합된 nMOS 스위치와 pMOS 스위치를 적용하여 역방향으로의 전류 누설을 최소화하고 유효 문턱전압을 낮추었다. 따라서 종래의 정류기보다 상기 CMOS 전파 정류기를 통해 교류 입력 신호(AC)를 더욱 많은 양의 직류 출력 신호(DC)로 변환할 수 있다.The present invention relates to a CMOS full wave rectifier that can be used in various small devices such as a system or device capable of low-voltage biotransplantation or a small RFID tag. The rectifier has been miniaturized through a simple structure, and the miniaturized CMOS full-wave rectifier can show high utility in constituting an integrated circuit which has recently attracted attention. The CMOS full wave rectifier minimizes the current leakage in the reverse direction and lowers the effective threshold voltage by applying an nMOS switch and a pMOS switch cross-coupled in differential mode gates. Therefore, the AC input signal AC can be converted into a larger DC output signal DC through the CMOS full-wave rectifier than the conventional rectifier.
또한, 무선으로 전력을 공급받는 저전압의 생체 이식이 가능한 시스템이나 디바이스에서의 전원 문제를 해결할 수 있도록 저전압에도 턴-온이 가능한 고효율의 CMOS 전파 정류기를 구현함으로써, 무선 충전시 거리 문제와 생체 이식 디바이스에 적용시 고전압으로 인해 발생되는 사용자의 위험, 주변 기기간의 간섭 등과 같은 여러 가지 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.In addition, by implementing a high efficiency CMOS rectifier that can turn on the low voltage to solve the power problem in the system or the device that can be powered by wireless low-voltage biotransplantation, There is an effect that it is possible to solve various problems such as the risk of the user caused by the high voltage and the interference between the peripheral devices.
또한 상기 CMOS 전파 정류기는 역방향 상태에서 다이오드를 완벽하게 끄고 정방향 상태에서 문턱 제거를 활성화하는 제어 방식을 사용한다. 따라서 넓은 소스 진폭 범위에서 역방향 누설을 최소화하고 최대 문턱 제거를 구현할 수 있다. 또한 메인 패스 pMOS 트랜지스터가 꺼진 상태에서 역방향 누설을 관리하는 것을 통해 부하 전류를 증가시킬 수 있다. 따라서 차동 교차 결합된 구조와 문턱 제거 기술의 동시 적용으로 MOS 스위치에서 매우 낮은 드롭아웃 결과를 형성하였다. 그리고 대체 경로 형성을 위해 다이나믹 바디 바이어스 방법이 적용되었다. 시뮬레이션을 통해 성능을 평가해본 결과, 종래의 정류기와 비교하였을 때 확실히 증가된 전압과 전력 변환 효율을 보였다. 상기 CMOS 전파 정류기는 낮은 턴-온 전압을 보유하고 있기 때문에 입력 전력의 전압이 낮을 때에도 좋은 효율을 보이는 장점이 있다.In addition, the CMOS full wave rectifier uses a control method that completely turns off the diode in the reverse state and activates the threshold elimination in the forward state. Thus, reverse leakage is minimized and maximum threshold rejection can be implemented in a wide source amplitude range. It is also possible to increase the load current by managing the reverse leakage with the main path pMOS transistor turned off. Therefore, simultaneous application of differential cross-coupled structure and threshold elimination technology resulted in very low dropout results in MOS switches. And a dynamic body bias method was applied to form an alternative path. Simulation results show that the voltage and power conversion efficiency are significantly increased when compared with conventional rectifiers. Since the CMOS full-wave rectifier has a low turn-on voltage, it has an advantage of exhibiting good efficiency even when the input power voltage is low.
도 1a는 종래기술에 의한 SVC 정류기의 구조를 도시한 회로이다.
도 1b는 종래기술에 의한 차동 CMOS 정류기의 구조를 도시한 회로이다.
도 1c는 종래기술에 의한 부트스트랩 커패시터 기반 정류기의 구조를 도시한 회로이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기의 구조를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양의 반주기(VRF+)시 각기 다른 정류기 토폴로지들의 역방향 누설 전류의 비교를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터의 유효 임계 전압을 줄이는 방법에 대한 흐름도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기와 다양한 정류기와의 입력 피크 진폭에 따른 전력 변환 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기와 다양한 정류기와의 입력 피크 진폭에 따른 전압 변환 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부트스트랩 커패시터 크기에 따른 변환효율 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이아웃 전과 후의 입력 피크 진폭에 따른 전압 변환 효율 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이아웃 전과 후의 입력 피크 진폭에 따른 전력 변환 효율 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기 구조 및 크기의 예시를 도시한 도면이다.1A is a circuit diagram showing a structure of a conventional SVC rectifier.
1B is a circuit diagram showing a structure of a conventional differential CMOS rectifier.
1C is a circuit diagram showing a structure of a conventional bootstrap capacitor-based rectifier.
2 is a circuit diagram showing a structure of a CMOS full-wave rectifier according to an embodiment of the present invention.
3 is a graphical representation of a comparison of the reverse leakage currents of different rectifier topologies in a positive half-period (VRF +) according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a method for reducing the effective threshold voltage of a cross-coupled differential CMOS transistor according to an embodiment of the present invention.
5A is a graph illustrating a simulation result of power conversion efficiency according to input peak amplitudes of a CMOS full-wave rectifier and various rectifiers according to an embodiment of the present invention.
5B is a graph illustrating simulation results of voltage conversion efficiency according to input peak amplitudes of a CMOS full-wave rectifier and various rectifiers according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph illustrating simulation results of conversion efficiency according to bootstrap capacitor size according to an embodiment of the present invention.
7A is a graph illustrating voltage conversion efficiency results according to input peak amplitudes before and after a layout according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7B is a graph showing power conversion efficiency results according to input peak amplitudes before and after a layout according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating an example of the structure and size of a CMOS full wave rectifier according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
먼저 정류기에 적용되는 문턱제거 또는 문턱전압 제거의 토폴로지들에 대해 설명하고자 한다. 문턱전압은 옥사이드(산화막)의 두께와 형태에 영향을 받는 프로세스-파라미터이다. 몇몇 표준 CMOS 프로세서들은 낮은 문턱전압을 보이는 구조를 제시하지만, 일반적인 목적의 장치에 사용하기에는 적합하지 않다. 이러한 장치의 성능은 향상된 채널 도핑, 과도한 전력 소비와 신뢰성 문제에 의해 누설이 제한된다. 따라서, 낮은-문턱전압을 필요로 하는 장치를 사용하는 것이 문턱전압(Vth)의 충격을 완화하는 방법을 기반으로 하는 회로를 사용하는 것 보다 더 나은 방법이다.First, the topologies of threshold elimination or threshold voltage removal applied to a rectifier will be described. The threshold voltage is a process-parameter that is influenced by the thickness and shape of the oxide (oxide film). Some standard CMOS processors offer a low threshold voltage structure, but are not suitable for use in general purpose devices. The performance of these devices is limited by improved channel doping, excessive power consumption, and reliability issues. Thus, using a device that requires a low-threshold voltage is a better method than using a circuit based on a method of mitigating the impact of the threshold voltage (V th ).
쇼트키 다이오드는 낮은 턴-온 전압 특성으로 인해 정류기에 사용된다. 따라서 정류기 회로는 쇼트키 다이오드를 포함한 회로를 통해 높은 전압 변환 효율을 구현한다. 하지만, 상기 방법은 일반적인 CMOS 기술보다는 호환성이 낮고, 제조환경의 구현을 위해 높은 비용을 요구한다.Schottky diodes are used in rectifiers due to their low turn-on voltage characteristics. The rectifier circuit thus achieves high voltage conversion efficiency through a circuit including a Schottky diode. However, the above method is less compatible than a general CMOS technology, and requires a high cost for realizing a manufacturing environment.
이를 대신하여, CMOS 정류기를 위해 DCT라고 불리는 다이오드와 연결된 MOS 트랜지스터를 사용한다. 이는 높은 호환성을 가지고 있기 때문에 널리 사용되고 있다. DCT의 유효 턴-온 전압은 MOS 트랜지스터의 문턱전압에 가깝고 일반적인 목적의 P/N 접합 다이오드보다 낮지만, 여전히 쇼트키 다이오드보다는 높은 전압을 보인다. 따라서 DCT를 이용한 단순한 구성을 통해서는 높은 전압 변환 효율과 전력 변환 효율을 구현하기에 한계가 있다. 따라서 이러한 문제의 해결을 위한 개선된 전압 변환 효율과 전력 변환 효율을 가지는 다양한 정류기 구조가 제안되었다.Instead, a MOS transistor connected to a diode called DCT is used for the CMOS rectifier. It is widely used because it has high compatibility. The effective turn-on voltage of the DCT is close to the threshold voltage of the MOS transistor and is lower than that of a general purpose P / N junction diode, but still shows a higher voltage than the Schottky diode. Therefore, there is a limit to realize high voltage conversion efficiency and power conversion efficiency through a simple configuration using DCT. Therefore, various rectifier structures having improved voltage conversion efficiency and power conversion efficiency for solving such problems have been proposed.
도 1a는 종래기술에 의한 SVC 정류기의 구조를 도시한 회로이다. SVC 정류기에서, nMOS와 pMOS 트랜지스터의 게이트 전극은 각각 출력(Output) 및 그라운드(Ground) 터미널과 연결된다. 상기 구조를 통해 낮은 입력 전력으로 높은 전력 변환 효율을 보이는 간단한 정류기 구조를 구현할 수 있다. 또한 상기 구조에서는 정적인 게이트-소스 전압이 유효 Vth가 낮아지는 MOS 트랜지스터로 인가된다. 높은 DC 바이어스 전압을 위하여, 상기 구조는 역방향 누설 전류를 높혀야 하므로, 전체적인 전압 변환 효율과 전력 변환 효율에 영향이 발생한다.1A is a circuit diagram showing a structure of a conventional SVC rectifier. In the SVC rectifier, the gate electrodes of the nMOS and pMOS transistors are connected to the Output and Ground terminals, respectively. Through this structure, a simple rectifier structure having high power conversion efficiency with low input power can be realized. Also, in the above structure, a static gate-source voltage is applied to a MOS transistor whose effective V th is lowered. For a high DC bias voltage, the structure has to increase the reverse leakage current, so that the overall voltage conversion efficiency and power conversion efficiency are affected.
도 1b는 종래기술에 의한 차동 CMOS 정류기의 구조를 도시한 회로이다. 상기 차동 CMOS 정류기는 교차 연결된 차동 CMOS 요소가 브릿지 구조에 통합되어 형성된 구조이다. MOS 트랜지스터의 게이트는 차동 모드 신호에 의해 능동적으로 작동한다. 상기 차동 CMOS 정류기 형성 방법을 통해 MOS 트랜지스터의 턴-온 전압을 상당히 낮출 수 있고, 역방향 누설 전류는 음극 게이트 바이어스에 의해 크게 강하될 수 있다. 상기 구조는 높은 전력 변환 효율을 형성할 수 있지만, 좋은 전압 변환 효율을 보여주지는 못한다. 그리고 다중 단계에서의 개선된 전압 변환 효율을 형성하기 위해서는 넓은 면적이 필요하다. 따라서 이는 최근 사용되는 소형화된 생체 이식 디바이스에는 적합하지 않다.1B is a circuit diagram showing a structure of a conventional differential CMOS rectifier. The differential CMOS rectifier is a structure in which the cross-coupled differential CMOS elements are integrated into the bridge structure. The gate of the MOS transistor actively operates by the differential mode signal. The turn-on voltage of the MOS transistor can be significantly lowered through the method of forming the differential CMOS rectifier, and the reverse leakage current can be largely lowered by the negative gate bias. The above structure can form a high power conversion efficiency, but does not show a good voltage conversion efficiency. And a large area is required to form an improved voltage conversion efficiency in multiple stages. Therefore, this is not suitable for a recently used miniaturized living body implantable device.
도 1c는 부트스트랩 커패시터를 기반으로 한 정류기 및 이를 위한 방법을 제시한다. 상기 방법에서는 소형 부트스트랩 커패시터가 메인 패스 트랜지스터(Main Pass Transistor)의 유효 문턱전압을 낮추기 위해 사용된다. 상기 방법은 소스 전압의 넓은 범위에서 상당히 개선된 전압 변환 효율과 전력 변환 효율을 가지는 정류기 구조를 제시한다. 이어서 상기 언급된 다양한 구조의 정류기의 단점인 전압 변환 효율과 전력 변환 효율을 높힐 수 있고, 낮은 전력으로 구동이 가능한 진보된 CMOS 정류기 회로의 형성 방법을 제시하고자 한다.Figure 1c shows a rectifier based on a bootstrap capacitor and a method for this. In this method, a small bootstrap capacitor is used to lower the effective threshold voltage of the main pass transistor. The method presents a rectifier structure with significantly improved voltage conversion efficiency and power conversion efficiency over a wide range of source voltages. And a method of forming an advanced CMOS rectifier circuit capable of improving voltage conversion efficiency and power conversion efficiency, which are disadvantages of the above-mentioned rectifiers of various structures, and driving at low power.
본 발명은 상기 부트스트랩 정류기와 차동 CMOS 정류기를 하나의 정류기 회로에 구성하여 성능을 향상시킬 수 있는 고효율의 CMOS 전파 정류기 구조를 제시한다. 상기 CMOS 전파 정류기를 통해 전압 변환 효율과 전력 변환 효율 모두를 개선할 수 있다. 또한, 한 쌍의 pMOS로 구성된 스위치를 포함하여 문턱 제거 기술을 위해 일반적으로 적용되는 다이오드 또는 pMOS DCT를 대체할 수 있다. 또한 nMOS 트랜지스터를 포함하여 교차 결합된 차동 구조의 장점을 이용하여 효율의 향상을 이끌어 낼 수 있다.The present invention proposes a highly efficient CMOS full wave rectifier structure that can improve performance by configuring the bootstrap rectifier and the differential CMOS rectifier in one rectifier circuit. Both the voltage conversion efficiency and the power conversion efficiency can be improved through the CMOS full-wave rectifier. In addition, a diode or pMOS DCT, which is commonly applied for threshold rejection techniques, can be substituted, including a pair of pMOS switches. It can also take advantage of the cross-coupled differential structure, including nMOS transistors, to improve efficiency.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기의 구조를 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram showing a structure of a CMOS full-wave rectifier according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 CMOS 전파 정류기는 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터(M1, M2, M3, M4), 인버터(100, 200) 및 부트스트랩 커패시터(C1, C2)가 포함된 회로로 구성된다. 상기 CMOS 전파 정류기를 통과한 교류 입력 신호는 회로를 거쳐 직류 형태로 변환되어 VOUT으로 출력된다. 상기 CMOS 전파 정류기는 부트스트랩 커패시터, 문턱전압 제거 그리고 차동 CMOS 특성을 정류기 회로에 구현하여 역방향 누설 전류를 최소화하고 유효 문턱 전압을 낮춰 전압 변환 효율과 전력 변환 효율을 향상시키는 효과를 가진 구조이다.2, the CMOS full wave rectifier comprises a circuit including cross-coupled differential CMOS transistors M1, M2, M3 and M4,
상기 CMOS 전파 정류기는 상기 교차 결합된 차동 COMS 트랜지스터는 M1, M2, M3, M4 트랜지스터로 구성된다. 또한 C1과 C2로 구성된 상기 부트스트랩 커패시터를 방전하는 M17, M18, M19, M20 트랜지스터를 추가로 포함한다.The CMOS full wave rectifier includes the cross-coupled differential COMS transistors M1, M2, M3, and M4. And further includes M17, M18, M19, and M20 transistors for discharging the bootstrap capacitor composed of C1 and C2.
전력원인 VAC의 양의 반주기(VRF+) 동안, 인버터(100)는 M7, M8, M13과 M14 트랜지스터를 활용하여 동작한다. M13은 DCT로 구성되고 M14는 차동 모드에 연결된다. 상기 인버터(100)의 목적은 음의 반주기(VRF-) 동안 M3를 완벽히 끄는 것이다. 따라서 상기 방법을 통해 메인 패스 트랜지스터 M3로부터 발생된 역방향 누설전류를 최소화 한다.During the positive half period (VRF +) of the power source VAC, the
DBS 방법은 M5의 벌크 연결을 가장 높은 가용 전압에 맞춘다. 상기 DBS는 M21과 M22 트랜지스터 사용에 의해 형성된다. 장기간의 시뮬레이션을 통해, VC1이 상당히 상승하고, 이러한 효과가 VOUT을 감소시켜 전압 변환 효율에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. VC1을 일정하게 유지하기 위해, 높은 저항의 CDT(Capacitor Discharging MOS Transistor)들이 VRF-에서 매우 작은 양의 C1 방전을 위해 사용되었다. 따라서, C1은 일정한 VC1을 오버타임까지 유지한다. VRF- 에서는 M1, M4, M6, M9, M10, M12, M15, M16, M23, M24와 C2로 구성된 이중 회로가 VRF+ 일때와 동일하게 입력 전압을 보정할 것이다.The DBS method matches the bulk connection of M5 to the highest available voltage. The DBS is formed by using M21 and M22 transistors. Through long-term simulations, it was found that V C1 rises significantly and this effect reduces V OUT and affects the voltage conversion efficiency. To keep V C1 constant, a high-resistance CDT (Capacitor Discharging MOS Transistor) was used for a very small amount of C1 discharge in VRF-. Therefore, C1 maintains a constant VC1 until overtime. In VRF-, the input voltage will be corrected the same as when the double circuit consisting of M1, M4, M6, M9, M10, M12, M15, M16, M23, M24 and C2 is VRF +.
각기 다른 정류기를 비교함에 있어서 출력 전압, 전압 변환 효율과 전력 변환 효율의 평균을 측정하는 것은 가장 일반적인 평가 방법이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기는 Samsung 표준 0.18μm CMOS 프로세서를 사용하여 호환성을 확보하였으며, Cadence 환경에서 Specter simulator를 통해 측정하였다. CL = 200 pF and RL = 2 kΩ의 션트 부하가 고려되었다. 상기 부하 조건은 4V와 13.56 MHz 주파수의 시누소이드 전압 소스가 인가되었을 때 5.1mA의 최대 부하 전류를 형성한다. 메인 패스 pMOS 트랜지스터 M3와 M4의 크기는 45/0.18μm, 그리고 메인 패스 nMOS 트랜지스터 M1과 M2는 40/0.18μm 이다. 대체 경로 트랜지스터(Auxiliary Path Transistor) M5와 M6는 1/0.18μm의 크기로 DCT에 연결되고, DCT의 다른 세트인, M11과 M12는 15/0.18μm 크기의 트랜지스터를 적용한다.Measuring the average of the output voltage, voltage conversion efficiency and power conversion efficiency in comparing different rectifiers is the most common evaluation method. The CMOS full-wave rectifier according to an exemplary embodiment of the present invention is compatible with Samsung standard 0.18 μm CMOS processor and measured using a specter simulator in a Cadence environment. Shunt loads of CL = 200 pF and RL = 2 kΩ were considered. The load condition forms a maximum load current of 5.1 mA when a sinusoidal voltage source of 4 V and 13.56 MHz frequency is applied. The sizes of the main path pMOS transistors M3 and M4 are 45 / 0.18 mu m, and the main path nMOS transistors M1 and M2 are 40 / 0.18 mu m. Auxiliary Path Transistors M5 and M6 are connected to the DCT with a size of 1 / 0.18μm, and the other sets of DCT, M11 and M12, are 15 / 0.18μm transistors.
인버터(100)의 nMOS 트랜지스터 M8과 M10는 5/0.18μm 크기의 트랜지스터들로 구성된다. pMOS 트랜지스터 M7과 M9는 nMOS 트랜지스터보다 3배 크다. 0.4/0.18μm의 크기를 가지는 트랜지스터인 M13, M14, M15, M16은 상기 인버터(100)의 적절한 스위칭 동작을 모니터 하기 위해 사용된다. CDT인 M17, M18, M19, M20은 0.4/0.18μm 트랜지스터를 사용한다. 0.4/0.18μm 크기의 pMOS 트랜지스터는 DBS 구조를 위해 사용된다. 상기 부트스트랩 커패시터 C1과 C2의 커패시턴스는 35.6pF이다.The nMOS transistors M8 and M10 of the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양의 반주기(VRF+)에서 각기 다른 정류기 토폴로지들의 역방향 누설 전류의 비교한 도면이다.3 is a comparison of the reverse leakage currents of different rectifier topologies in a positive half period (VRF +) according to an embodiment of the present invention.
상기 도 2에서 도시한 예시 회로 중 M3을 위한 VRF+ 시의 역방향 누설 전류의 비교이며, 상기 도 2에서 도시한 기호 및 명칭에 따라 설명을 보충한다. VRF+와 VRF- 사이에서 스위칭 동작을 하는 동안 상기 CMOS 전파 정류기의 메인 패스 트랜지스터를 통해 발생한 역방향 누설은 다른 일반적인 정류기와 비교하였을 때 더 낮은 값을 보인다. 따라서 상기 CMOS 전파 정류기는 더욱 개선된 전력 변환 효율의 구현이 가능하다. VRF+ 동안, 상기 인버터(100)는 문턱 제거 동작을 돕는다. VRF+에서, M8은 켜지고, DCT M11을 통해 C1을 충전한다. 이것은 M3를 위한 회로 내 문턱 제거를 활성화한다. 유사하게, VRF- 에서, M7은 차동 모드 트랜지스터 M14를 통해 작동한다. 그러므로 M3의 드레인에서 게이트까지의 전압은 0이 되고, 이것은 M3를 통한 역방향 누설을 최소화한다. M13은 VRF+ < VOUT일 때 M7을 ON 시키고 M8을 OFF 하며, VRF+ > VOUT, 일 때 M8을 ON 시키고 M7을 OFF 한다. VRF+에서, M8이 켜지고 CDT M17과 M18은 꺼진다.The comparison of the reverse leakage current at VRF + for M3 in the exemplary circuit shown in FIG. 2 is complemented by the description according to the symbols and names shown in FIG. The reverse leakage generated through the main path transistor of the CMOS full wave rectifier during switching operation between VRF + and VRF- has a lower value when compared with other general rectifiers. Therefore, the CMOS full wave rectifier can realize a further improved power conversion efficiency. During VRF +, the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터의 유효 임계 전압을 줄이는 방법에 대한 흐름도이다.4 is a flowchart of a method for reducing the effective threshold voltage of a cross-coupled differential CMOS transistor according to an embodiment of the present invention.
먼저, 양의 반주기(VRF+)에서 인버터(100)의 트랜지스터(M8)은 온이며, 커패시터 방전용 MOS 트랜지스터(M17, M18)은 오프 되고, DCT M5는 [수학식 1]에 의해 VRF+의 상승하는 시간동안 출력 커패시터 CL을 충전하는 대체 경로를 형성한다(S110).First, in the positive half period VRF +, the transistor M8 of the
[수학식 1][Equation 1]
VOUT = (VRF+) - Vth _M5 V OUT = (VRF +) - V th - M 5
출력 노드가 충전됨에 따라, 상기 부트스트랩 커패시터 C1은 DCT(M11)를 통해 충전되며, 상기 부트스트랩 커패시터 C1 양단의 전압은 [수학식 2]에 따라 증가한다(S100).As the output node is charged, the bootstrap capacitor C1 is charged through the DCT (M11), and the voltage across the bootstrap capacitor C1 increases according to Equation (2) (SlOO).
[수학식 2]&Quot; (2) "
VC1 = VOUT - Vth _M11 - Vth _M8 V C1 = V OUT - V th - M 11 - V th - M 8
[수학식 1]로부터, [수학식 3]을 도출한다.From Equation (1), Equation (3) is derived.
[수학식 3]&Quot; (3) "
VC1 = (VRF+) - Vth _M5 - Vth _M11 - Vth _M8 V C1 = (VRF +) - V th - M 5 - V th - M 11 - V th - M 8
트랜지스터들의 동일한 형태의 문턱전압은 특정한 공정의 기술을 사용했을 때 대부분 비슷하므로 [수학식 3]으로부터 [수학식 4]를 도출하여 VC1을 설정할 수 있다(S131).Since the threshold voltages of the same type of transistors are almost similar when a specific process technology is used, V C1 can be derived from Equation (3) to set V C1 (S131).
[수학식 4]&Quot; (4) "
VC1 = (VRF+) - 2Vth(pMOS) - Vth_M8 V C1 = (VRF +) - 2Vth (pMOS) - Vth_M8
그리고 [수학식 5]와 [수학식 6]은 pMOS M3 트랜지스터의 소스와 게이트간의 전압을 설정한다.And [Equation 5] and [Equation 6] set the voltage between the source and the gate of the pMOS M3 transistor.
[수학식 5]&Quot; (5) "
VSG_M3 = (VRF+) - Vth_M8 - VC1 V SG_M3 = (VRF +) - Vth_M8 - V C1
[수학식 6]&Quot; (6) "
VSG_M3 = Vth_M11 + Vth_M5 V SG - M 3 = V th - M 11 + V th - M 5
VSG_M3를 통과한 전압은 2배의 문턱전압이기 때문에, (Vth_M11 + Vth_M5) > Vth_M3 이다. 결과적으로, M3는 도통이 되고 출력 노드를 충전하게 되며, VSG_M3가 Vth_M3로 도달하기 전에 M3는 컷오프된 상태로 남아있게 된다(S132). 따라서 [수학식 5]를 통해 [수학식 7]을 도출한다.Since the voltage passed through V SG - M3 is twice the threshold voltage, (V th - M 11 + V th - M 5 )>
[수학식 7]&Quot; (7) "
(VRF+) - Vth _M8 - VC1 ≥ Vth _M3 (VRF +) - V th - M 8 - V C 1 ≥ V th - M 3
[수학식 2]의 VC1을 [수학식 7]에 대입하여 [수학식 8]을 도출한다. 따라서 pMOS M3 트랜지스터의 유효 임계 전압은 줄어들게 된다(S140).(8) is derived by substituting V C1 in the equation (2) into the equation (7). Therefore, the effective threshold voltage of the pMOS M3 transistor is reduced (S140).
[수학식 8]&Quot; (8) "
Vth _M3 = (VRF+) - Vth _M8 - VOUT + Vth _M11 + Vth _M8 _M3 th = V (VRF +) - V th _M8 - V OUT + V th + V th _M11 _M8
VOUT = (VRF+) - (Vth_M3 - Vth_M11)V OUT = (VRF +) - (V th - M 3 - V th - M 11 )
[수학식 8]은 M3의 유효 문턱전압이 감소되었을 때를 보여준다. 낮은 임피던스 리턴 경로는 차등 모드 게이트 교차-결합된 구조가 연결된 nMOS 트랜지스터 (M2)에 의해 CL이 충전하는 전류가 만들어진다. M2의 게이트는 차동-모드 신호에 의해 활동적으로 인가된다. VRF+에서, M2의 게이트 전압은 양극으로 인가되고 효율적으로 M2의 턴-온 전압이 감소된다. 결과적으로 낮은 ON저항이 형성된다.Equation (8) shows when the effective threshold voltage of M3 is reduced. The low impedance return path produces a current that CL charges by the nMOS transistor M2 to which the differential mode gate cross-coupled structure is connected. The gate of M2 is actively applied by the differential-mode signal. In VRF +, the gate voltage of M2 is applied to the anode and the turn-on voltage of M2 is effectively reduced. As a result, a low ON resistance is formed.
M5 역시 출력 전류에 기여한다, 하지만 이것은 전체적인 전력 상승에 비하면 미미한 수준이다. 왜냐하면 메인 패스 트랜지스터와 비교하면 미미한 수준이기 때문이다. M5의 소스는 플로팅 파워 서플라이와 연결되고 이것의 전압 변화는 상당히 오래 걸린다. 따라서 노출된 터미널은 기판내에 누설 전류를 주입할 수 있었고 래치업(latch-up)을 유발한다.M5 also contributes to the output current, but this is negligible compared to the overall power rise. This is because it is insignificant compared to the main-path transistor. The source of the M5 is connected to a floating power supply and its voltage change takes a long time. The exposed terminals thus can inject leakage current into the substrate and cause latch-up.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기의 성능 검증을 위해 다양한 구조의 정류기를 비교군으로 하여 시뮬레이션한 결과에 대해서 설명하고자 한다.In order to verify the performance of the CMOS full-wave rectifier according to an embodiment of the present invention, the results of simulations using various types of rectifiers as comparison groups will be described.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기와 다양한 정류기와의 입력 피크 진폭에 따른 전력 변환 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.5A is a graph illustrating a simulation result of power conversion efficiency according to input peak amplitudes of a CMOS full-wave rectifier and various rectifiers according to an embodiment of the present invention.
도 5a에서 알 수 있듯이, 상기 CMOS 전파 정류기는 0.7V보다 큰 입력 피크 진폭의 넓은 범위를 넘어서는 월등히 높은 전력 변환 효율을 보인다. 특히 3.3V AC 소스 피크 입력에서는, 상기 정류기는 87.8%의 전력 변환 효율을 보인다. 이러한 전력 변환 효율 결과는 SVC 정류기 및 차동 정류기 토폴로지와 비교하면 상당한 상승이라고 할 수 있으며, 부트스트랩 커패시터 정류기와 비교하면 전력 변환 효율에서 약 1% 증가된 결과를 얻을 수 있다.As can be seen in Figure 5a, the CMOS full wave rectifier shows significantly higher power conversion efficiencies over a wide range of input peak amplitudes greater than 0.7V. In particular, at the 3.3V AC source peak input, the rectifier exhibits a power conversion efficiency of 87.8%. This power conversion efficiency result is a significant improvement over the SVC rectifier and differential rectifier topology and results in a 1% increase in power conversion efficiency compared to a bootstrap capacitor rectifier.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기와 다양한 정류기와의 입력 피크 진폭에 따른 전압 변환 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.5B is a graph illustrating simulation results of voltage conversion efficiency according to input peak amplitudes of a CMOS full-wave rectifier and various rectifiers according to an embodiment of the present invention.
도 5b에서 알 수 있듯이,상기 정류기들은 낮은 진폭 입력 소스에서 구동하는 정류기와 유사한 기능을 수행 한다. 0.7V의 AC 입력 소스에서, 61%의 전압 변환 효율을 보이는 회로를 제시한다. 상기 CMOS 전파 정류기는 종래의 CMOS 정류기보다 높은 효율을 보인다. 3.3V 입력 AC 진폭에서, 상기 CMOS 전파 정류기는 89.1%의 전압 변환 효율을 기록하였다. 상기 결과는 종래의 정류기보다 높은 변환효율을 보이는 것으로 측정된다. 상기 CMOS 전파 정류기의 개선된 성능은 최소화된 역방향 누설 전류와 유효 문턱전압의 감소를 통해 얻어진다. 상기 CMOS 전파 정류기의 인버터 회로는 정류 동작 이후 메인 패스 pMOS 트랜지스터를 즉시 턴 오프 하는 동작을 수행한다. 또한, 메인 패스 pMOS 트랜지스터의 감소한 유효 문턱은 드레인-소스 터미널(Drain-Source Terminal)을 통해 더 낮은 전압 강하를 형성한다. 메인 패스 nMOS 트랜지스터의 차동 모드 구조는 더 낮은 채널 온 저항에 영향을 미친다. 이에 따라 향상된 전압 변환 효율과 전력 변환 효율이 상기 CMOS 전파 정류기에서 구현되었다.As can be seen in Figure 5b, the rectifiers perform a function similar to a rectifier driving at a low amplitude input source. For an AC input source of 0.7V, a circuit with a voltage conversion efficiency of 61% is presented. The CMOS full wave rectifier shows higher efficiency than the conventional CMOS rectifier. At 3.3V input AC amplitude, the CMOS full wave rectifier recorded a voltage conversion efficiency of 89.1%. The results are measured to show higher conversion efficiency than conventional rectifiers. The improved performance of the CMOS full wave rectifier is obtained by minimizing the reverse leakage current and decreasing the effective threshold voltage. The inverter circuit of the CMOS full wave rectifier performs an operation to immediately turn off the main path pMOS transistor after the rectifying operation. Also, the reduced effective threshold of the main path pMOS transistor forms a lower voltage drop through the drain-source terminal. The differential mode structure of the main-pass nMOS transistor affects the lower channel-on resistance. Accordingly, improved voltage conversion efficiency and power conversion efficiency are realized in the CMOS full wave rectifier.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부트스트랩 커패시터 크기에 따른 변환효율 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.6 is a graph illustrating simulation results of conversion efficiency according to bootstrap capacitor size according to an embodiment of the present invention.
도 6에서 알 수 있듯이, 생체 이식 디바이스용 정류기를 구현하기 위해 가장 중요한 요소는 부트스트랩 커패시터의 크기이다. 부트스트랩 커패시터는 표준 CMOS 프로세서를 구성함에 있어서 상당한 면적을 차지한다. 따라서 작은 크기의 부트스트랩 커패시터의 적용이 필요하다.As can be seen in Figure 6, the most important factor for implementing a rectifier for a bioimplant device is the size of the bootstrap capacitor. The bootstrap capacitors take up considerable area in constructing a standard CMOS processor. Therefore, it is necessary to apply bootstrap capacitors of small size.
25pF에서 100pF의 범위에서 전압 변환 효율과 전력 변환 효율은 성능상의 큰 차이가 없다. 하지만 100pF에서 상기 부트스트랩 커패시터의 차징 경로의 시간 정수의 큰 변화가 감지된다. 이는 더 큰 크기의 부트스트랩 커패시터는 충분한 전압으로의 도달을 위해 더 긴 시간을 필요로 한다는 것을 의미한다. 메인 패스 트랜지스터는 게이트에서 소스까지의 낮은 전압에 의해 문제가 발생한다. 이러한 현상으로 인해 메인 패스 pMOS 트랜지스터의 전압 강하가 높아지고, 이로 인해 전력 변환 효율이 낮아지는 것과 같은 성능상의 문제를 발생시킨다. 이러한 결과를 바탕으로 본 발명에서는 전압 변환 효율과 전력 변환 효율이 좋고 크기 문제를 해결할 수 있는 35.6pF 커패시터를 적용하여 상기 CMOS 전파 정류기의 크기를 최소화 하고자 한다.In the range of 25pF to 100pF, the voltage conversion efficiency and the power conversion efficiency do not differ greatly in performance. However, a large change in the time constant of the charging path of the bootstrap capacitor is sensed at 100 pF. This means that larger size bootstrap capacitors require a longer time to reach a sufficient voltage. The main path transistor is problematic due to the low voltage from the gate to the source. Such a phenomenon causes a problem in performance that the voltage drop of the main path pMOS transistor is increased and the power conversion efficiency is lowered thereby. Based on these results, the present invention attempts to minimize the size of the CMOS full wave rectifier by applying a 35.6 pF capacitor which has good voltage conversion efficiency and power conversion efficiency and can solve the size problem.
상기 CMOS 전파 정류기의 성능 검증을 위해 레이아웃 후의 시뮬레이션을 수행한다. 레이아웃 후의 시뮬레이션은 물리적인 레이아웃의 기하학적인 구조를 기반으로 하여 기생 요소(parasitic components)들을 예측하는 방법이다.A post-layout simulation is performed to verify the performance of the CMOS full-wave rectifier. The post-layout simulation is a method of predicting parasitic components based on the geometric structure of the physical layout.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이아웃 전과 후의 입력 피크 진폭에 따른 전압 변환 효율 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.7A is a graph illustrating voltage conversion efficiency results according to input peak amplitudes before and after a layout according to an embodiment of the present invention.
도 7a에서 알 수 있듯이, 레이아웃 후에는 상기 회로에 필연적으로 포함되는 기생 요소들에 의해 레이아웃 후의 성능이 일부 제한될 수 있다. 따라서 시뮬레이션을 통해 레이아웃 후의 성능을 검증해본 결과, 레이아웃 전의 도식적인 수준(schematic-level)의 전압 변환 효율보다 전압 변환 효율이 낮아짐을 확인할 수 있다. 0.7V와 3.3V AC 피크 입력 진폭에서, 55%와 88.6%의 전압 변환 효율이 각각 측정된다.As can be seen from Fig. 7A, after layout, performance after layout can be limited to some extent by the parasitic elements necessarily included in the circuit. Therefore, after verifying the performance after the layout through the simulation, it is confirmed that the voltage conversion efficiency is lower than the voltage conversion efficiency of the schematic-level before the layout. At 0.7V and 3.3V AC peak input amplitudes, the voltage conversion efficiencies of 55% and 88.6% are measured, respectively.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이아웃 전과 후의 입력 피크 진폭에 따른 전력 변환 효율 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.FIG. 7B is a graph showing power conversion efficiency results according to input peak amplitudes before and after a layout according to an embodiment of the present invention.
도 7b에서 알 수 있듯이, 레이아웃 전의 도식적인 수준과 레이아웃 후의 결과를 비교하여 기생 요소가 전력 변환 효율에 미치는 영향에 대해 나타낸다. 기생 요소들에 의한 손실로 인해 전력 변환 효율의 성능이 약간 감소한 것을 확인할 수 있다. 전력 변환 효율 값은 0.7V에서 3.3V 까지의 피크 입력 진폭에서 기생 요소들에 의해 약간 떨어진 수치인 53%와 87%를 각각 나타낸다.As shown in Fig. 7B, the effect of the parasitic element on the power conversion efficiency is shown by comparing the graphical level before layout with the result after layout. It can be seen that the performance of the power conversion efficiency is slightly reduced due to the loss due to the parasitic elements. The power conversion efficiency values represent 53% and 87%, respectively, slightly offset by the parasitic elements at peak input amplitudes from 0.7V to 3.3V.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 전파 정류기 구조 및 크기의 예시를 도시한 도면이다.8 is a diagram illustrating an example of the structure and size of a CMOS full wave rectifier according to an embodiment of the present invention.
상기 도 8에서 구현한 CMOS 전파 정류기는 0.18μm 6-metal/1-poly Samsung 표준 CMOS 프로세서를 적용하여 구성하였으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 CMOS 전파 정류기의 크기는 310μm x 248μm로 구현되었다. 부트스트랩 커패시터는 Samsung 표준 0.18μm CMOS 기술 라이브러리와 호환되는 금속-절연체-금속(MIM) 커패시터가 사용되고 커패시터 뱅크들이 대부분의 면적을 차지하고 있다. 상기 CMOS 전파 정류기의 크기는 커패시터 크기에 따라 차이가 발생할 수 있으며, 디바이스의 성능과 목적에 따라 그 크기의 차이는 발생할 수 있다.The CMOS full wave rectifier implemented in FIG. 8 is configured by applying a 0.18 μm 6-metal / 1-poly Samsung standard CMOS processor, and the size of the CMOS full wave rectifier according to an embodiment of the present invention is 310 μm × 248 μm . Bootstrap capacitors use metal-insulator-metal (MIM) capacitors that are compatible with the Samsung standard 0.18μm CMOS technology library and occupy most of the area of the capacitor banks. The size of the CMOS full wave rectifier may vary depending on the size of the capacitor, and the size may vary depending on the performance and purpose of the device.
다음으로, 본 발명에서 제시하는 CMOS 전파 정류기와 현재 시판중인 가장 성능이 좋은 각기 다른 4개의 정류기 샘플을 입수하여 성능을 비교한 값에 대해서 설명하고자 한다.Next, the values obtained by comparing the performance of the CMOS full-wave rectifier proposed in the present invention and the four commercially available rectifier samples having the best performance are described.
샘플 1은 오프셋 제어 고속 비교회로를 포함한 능동형 정류기, 샘플 2는 교차-결합된 래치 비교회로를 포함한 CMOS 정류기, 샘플 3은 저전압 CMOS 정류기, 샘플 4는 13.56MHz CMOS 능동형 정류기를 사용하였다. 상기 샘플들과 상기 CMOS 전파 정류기의 실제 특성을 비교한 결과를 아래 [표 1]에서 도시한다.
[표 1][Table 1]
상기 [표 1]을 참조하면, 상기 CMOS 전파 정류기는 0.07mm2의 작은 면적으로 0.7V 내지 3.3V의 넓은 입력 구동 전압을 형성하였고, 전압 변환 효율과 출력 변환 효율도 87% 이상의 높은 효율을 형성하는 것을 확인할 수 있다. 또한 작은 면적을 차지하는 정류기를 위한 결과 보정이 반드시 필요하며, 본 발명에서 제시하는 정류기 토폴로지는 낮은 소스 전압으로 동작하는 것을 확인할 수 있으며 이는 매우 만족스러운 결과라고 할 수 있다.Referring to Table 1, the CMOS full-wave rectifier formed a wide input driving voltage ranging from 0.7V to 3.3V with a small area of 0.07mm 2 , and formed a high efficiency of voltage conversion efficiency and output conversion efficiency of more than 87% . It is also necessary to calibrate the result for a rectifier that occupies a small area, and it can be seen that the rectifier topology of the present invention operates with a low source voltage, which is a very satisfactory result.
이상의 기재를 통해서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 위주로 상술하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 각 구성요소는 동일한 목적 및 효과의 달성을 위하여 본 발명의 기술적 범위 내에서 변경 또는 수정될 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Or modified.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the present invention.
100, 200 : 인버터
M1, M2, M3, M4 : 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터
C1, C2 : 부트스트랩 커패시터100, 200: Inverter
M1, M2, M3, M4: Cross-coupled differential CMOS transistors
C1, C2: Bootstrap capacitor
Claims (14)
교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터 M1, M2, M3 및 M4; 및
제1 및 제2 인버터;를 포함하며,
입력되는 전원의 양의 반주기 동안에, 상기 부트스트랩 커패시터 C1을 충전하고, 상기 제1 인버터는 상기 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터 중 메인 패스 트랜지스터 M3에 대한 임계값을 제거하는 회로로 동작하며, 상기 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터 중 또 다른 메인 패스 트랜지스터 M4를 차단함으로써, 상기 M4를 통한 역방향 누설전류를 차단하고,
상기 입력되는 전원의 음의 반주기 동안에는, 상기 부트스트랩 커패시터, 상기 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터 및 상기 인버터가 이중회로(dual)로 동작하도록 함으로써,
상기 입력되는 전원에 대한 양의 반주기와 음의 반주기가 스위칭하는 동안에 상기 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터 중 메인 패스 트랜지스터 M3 및 M4를 통한 역방향 누설전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.Bootstrap capacitors C1 and C2;
Cross-coupled differential CMOS transistors M1, M2, M3, and M4; And
A first and a second inverter,
The first inverter charges the bootstrap capacitor C1 during half an amount of the input power, and the first inverter acts as a circuit for removing the threshold for the main-path transistor M3 among the cross-coupled differential CMOS transistors, The reverse leakage current through the M4 is cut off by blocking another main path transistor M4 of the differential CMOS transistors,
During the negative half-period of the input power source, the bootstrap capacitor, the cross-coupled differential CMOS transistor and the inverter are operated in dual,
And the reverse leakage current through the main pass transistors M3 and M4 of the cross-coupled differential CMOS transistors is reduced while the positive half period and the negative half period for the input power source are switched.
상기 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터는,
한 쌍의 nMOS 트랜지스터 M1과 pMOS 트랜지스터 M3가 다른 한 쌍의 nMOS 트랜지스터 M2와 pMOS 트랜지스터 M4가 서로 브리지 형태로 교차 결합된 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method according to claim 1,
The cross-coupled differential CMOS transistor comprises:
And a pair of the nMOS transistor (M2) and the pMOS transistor (M4), which are different in the pair of the nMOS transistor (M1) and the pMOS transistor (M3), are cross-coupled to each other in a bridge form.
상기 제1 인버터는,
상기 입력되는 전원; 및
차동모드에 연결된 트랜지스터 M14를 통해서 제어되는 DCT(diode connected transistor) M13을 통해서, 상기 입력되는 전원(VAC)에 대한 음의 반주기(VRF-) 동안 메인 패스 트랜지스터 M3을 턴-오프하며,
상기 제2 인버터는,
상기 입력되는 전원; 및
차동모드에 연결된 트랜지스터 M16을 통해서 제어되는 DCT(diode connected transistor) M15를 통해서, 상기 입력되는 전원(VAC)에 대한 양의 반주기(VRF+) 동안 메인 패스 트랜지스터 M4를 턴-오프하는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 2,
The first inverter includes:
The input power source; And
The main path transistor M3 is turned off during the negative half period (VRF-) of the input power supply VAC through the diode connected transistor M13 controlled through the transistor M14 connected in the differential mode,
The second inverter includes:
The input power source; And
And turns off the main path transistor M4 during a positive half period (VRF +) of the input power supply (VAC) through a diode connected transistor (M15) controlled through a transistor M16 connected in a differential mode. Full wave rectifier.
상기 CMOS 전파 정류기는,
부트스트랩 커패시터 C1에 직렬로 연결된 DCT M11, 및 부트스트랩 커패시터 C2에 직렬로 연결된 DCT M12를 더 포함하며,
상기 입력되는 전원의 양의 반주기(VRF+) 동안 제1 인버터의 트랜지스터 M8이 온되어, DCT M11을 통해서 부트스트랩 커패시터 C1을 충전하며,
상기 입력되는 전원의 음의 반주기(VRF-) 동안 제2 인버터의 트랜지스터 M10이 온되어, DCT M12를 통해서 부트스트랩 커패시터 C2를 충전하는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 3,
The CMOS full-
A DCT M11 serially connected to the bootstrap capacitor C1, and a DCT M12 serially connected to the bootstrap capacitor C2,
The transistor M8 of the first inverter is turned on during the positive half period (VRF +) of the input power source to charge the bootstrap capacitor C1 through the DCT M11,
And the transistor M10 of the second inverter is turned on during the negative half period (VRF-) of the input power source to charge the bootstrap capacitor C2 through the DCT M12.
상기 CMOS 전파 정류기는,
DCT M13은 제1 인버터의 트랜지스터 M7 및 M8의 온오프 스위칭을 모니터링하되,
VRF+ < 출력전압(VOUT)이면, M7=ON, M8=OFF;
VRF+ > 출력전압(VOUT)이면, M8=ON, M7=OFF;로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 3,
The CMOS full-
DCT M13 monitors the on-off switching of transistors M7 and M8 of the first inverter,
If VRF + <output voltage (V OUT ), M7 = ON, M8 = OFF;
And switches to M8 = ON and M7 = OFF if VRF + > output voltage (V OUT ).
상기 CMOS 전파 정류기는,
부트스트랩 커패시터 C1의 양단에 병렬로 연결된 커패시터 방전용 MOS 트랜지스터 M17 및 M18을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 3,
The CMOS full-
Further comprising capacitor discharging MOS transistors M17 and M18 connected in parallel at both ends of the bootstrap capacitor C1.
상기 CMOS 전파 정류기는,
DCT M5; 및 출력 커패시터 CL;을 직렬로 연결하여,
상기 입력되는 전원의 양의 반주기(VRF+)에서, 제1 인버터의 트랜지스터 M8은 온이며, 커패시터 방전용 MOS 트랜지스터 M17 및 M18은 오프가 되고, 상기 DCT M5는 출력전압(VOUT) = (VRF+) - Vth_M5일 때까지 VRF+의 상승시간 동안에 출력 커패시터 CL을 충전하는 보조 패스를 생성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 6,
The CMOS full-
DCT M5; And the output capacitor CL are connected in series,
The transistor M8 of the first inverter is turned on and the capacitor discharging MOS transistors M17 and M18 are turned off and the DCT M5 is turned off at the output voltage V OUT = VRF + And generates an auxiliary path charging the output capacitor CL during the rise time of VRF + until Vth_M5 .
상기 CMOS 전파 정류기는,
출력 노드가 충전됨에 따라, 부트스트랩 커패시터 C1도 또한 DCT M11을 통해서 충전되며, 부트스트랩 커패시터 C1 양단의 전압은 VC1 = (VRF+) - Vth_M5 Vth_M11 Vth_M8에서 VC1 = VOUT Vth_M11 Vth_M8로 상승하는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 7,
The CMOS full-
As the output node is charged, the bootstrap capacitor C1 is also charged through the DCT M11, and the voltage across the bootstrap capacitor C1 is V C1 = (VRF +) - Vth_M5 Vth_M11 Vth_M8 at V C1 = V OUT V th_M11 V th_M8 . < / RTI >
상기 CMOS 전파 정류기는,
VC1 = (VRF+) - 2Vth(pMOS) - Vth_M8인 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 8,
The CMOS full-
V C1 = (VRF +) - 2V th (pMOS) - V th - M8 .
상기 CMOS 전파 정류기는,
상기 pMOS 트랜지스터 M3의 소스와 게이트 간의 전압은 VSG_M3 = (VRF+) - Vth_M8 VC1 혹은 VSG_M3 = Vth_M11 + Vth_M5이며,
VSG_M3 = VSG_M3 = Vth_M11 + Vth_M5 > Vth_M3일 때, M3는 도통이 되고 출력 노드를 충전하게 되며, VSG_M3가 Vth_M3에 도달하기 전에 M3는 컷오프된 상태로 남아 있게 되는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 2,
The CMOS full-
The voltage between the source and the gate of the pMOS transistor M3 is V SG_M 3 = (VRF +) - V th - M 8 V C1 or V SG - M 3 = V th - M 11 + V th -
When V SG_M3 = V SG_M3 = V th_M11 + V th_M5> V th_M3, M3 is the conduction is charged to the output node, V SG_M3 is before it reaches the V th_M3 M3 is characterized in that it remains in the cut-off state CMOS full wave rectifier.
상기 CMOS 전파 정류기는,
(VRF+) - Vth_M8 VC1 ≥ Vth_M3이며,
Vth_M3 = (VRF+) - Vth_M8 VOUT + Vth_M11 + Vth_M8, VOUT = (VRF+) - (Vth_m3 - Vth_M11)이며, 상기 pMOS 트랜지스터 M3의 유효 임계 전압은 줄어드는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 10,
The CMOS full-
(VRF +) - Vth_M8 V C1 ? Vth_M3 ,
Wherein the effective threshold voltage of the pMOS transistor M3 is reduced because Vth_M3 = (VRF +) - Vth_M8 VOUT + Vth_M11 + Vth_M8 , VOUT = (VRF +) - ( Vth_m3 - Vth_M11 ) rectifier.
상기 CMOS 전파 정류기는,
생체 이식 디바이스의 전원장치로 사용되는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method according to claim 1,
The CMOS full-
Wherein the power supply is used as a power supply device of a living body implantable device.
상기 CMOS 전파 정류기는,
상기 교차 결합된 차동 CMOS 트랜지스터에서, 상기 nMOS 트랜지스터 M2는 출력 커패시터 CL을 충전하기 위한 리턴 패스를 생성하며,
상기 nMOS 트랜지스터 M2의 게이트는 차동 모드 신호에 의해서 활성되도록 바이어스 되며,
VRF+에서 상기 nMOS 트랜지스터 M2의 게이트 전압은 포지티브로 바이어스되고 상기 nMOS 트랜지스터 M2의 턴온 전압을 효과적으로 감소시켜, 온저항을 줄여주는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 2,
The CMOS full-
In the cross-coupled differential CMOS transistor, the nMOS transistor M2 generates a return path for charging the output capacitor CL,
The gate of the nMOS transistor M2 is biased to be activated by a differential mode signal,
The gate voltage of the nMOS transistor M2 is positively biased in VRF + to effectively reduce the turn-on voltage of the nMOS transistor M2, thereby reducing the on-resistance.
상기 CMOS 전파 정류기는,
상기 DCT M5의 bulk는 DBS(Dynamic Bulk Switch)에 의해서 가용한 최고의 전압에 연결되는 것을 특징으로 하는 CMOS 전파 정류기.The method of claim 7,
The CMOS full-
And the bulk of the DCT M5 is connected to a highest voltage available by DBS (Dynamic Bulk Switch).
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