[发明专利]片上集成太阳能电池供电系统

权利要求书

1.一种片上集成太阳能电池供电系统，其特征是，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。

2.如权利要求1所述的片上集成太阳能电池供电系统，其特征是，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，或者选用片外的传统电容器。

3.如权利要求1所述的片上集成太阳能电池供电系统，其特征是，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。

4.如权利要求1所述的片上集成太阳能电池供电系统，其特征是，控制电路包含一个电压感应模块和一个开关管M₂₀，Vs是储能电容Cs上的电压，以二极管形式串连的NMOS管M_n1～M_nn等效为一个大电阻，与电容C₁串联，晶体管M₂₁和M₂₂构成由输出电压Vout控制C₁放电的回路；MOS管M₂₃和M₂₄以及MOS管M₂₅和M₂₆分别构成两个反相器，MOS管M₂₇，M₂₈，M₂₉和电阻R₀构成一个非平衡反相器，其输出低电位时开关管M₂₀导通，输出高电位时开关管M₂₀截止；

开关电路的工作过程如下：电荷泵给储能电容Cs充电过程时，Vs上升，电容C₁两端电压V_C1随之升高，电容C₁的串联电阻使C₁的充电电流很小，所以V_C1上升速度远小于Vs，在储能电容Cs上电压上升到门限电压V_H前，V_C1相当于低电位，不足以打开晶体管M₂₂，V_C1经过两级反相控制非平衡反相器输出高电位，开关管M₂₀截止，晶体管M₂₁管截止，电容C1不放电，V_C1跟随Vs持续上升；

当储能电容Cs上的电压达到门限电压V_H时，V_C1升至高电位，晶体管M₂₂管导通，三级反相后，非平衡反相器输出为零，开关管M₂₀打开，储能电容Cs向后续电路泄放能量，此时输出电压Vout为负载工作电压V_DD，晶体管M₂₁截止，C₁仍然不放电，Vs继续给C₁充电，使开关管M₂₀保持一段时间导通，在此期间，储能电容Cs放掉电荷使Vs将低，线性稳压器进入截至区，输出电压Vout近似为零，此时晶体管M₂₁导通，C₁通过晶体管M₂₁和M₂₂快速放电，使V_C1降为低电位，开关管M₂₀关断，储能电容Cs上的电压V_S再次上升，V_C1跟随Vs上升，控制电路进入下一工作周期。