[发明专利]基于磁性隧道结的非易失可编程储能元件阵列管理系统

说明书

本发明公开了基于磁性隧道结的非易失可编程储能元件阵列管理系统，本发明微控制器电路连接MTJ读电路和MTJ写电路；MTJ读电路和MTJ写电路连接MTJ阵列；MTJ读电路连接开关阵列中每个开关元件的控制端；开关阵列连接储能元件阵列以及系统的充电端和系统的放电端；系统的放电端和储能元件阵列连接模拟数字转换电路的输入端；模拟数字转换电路的输出端连接微控制器电路。本发明具有能源输出形式多样、抗辐射能力强、数据可靠性高等显著优势，并具有将能量存储与能量管理一体化集成的潜力，可大大降低目前能源系统的复杂性和所占空间，具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种能量存储与信息处理一体化的系统，旨在设计一种基于MTJ的非易失可编程储能元件阵列管理系统。

背景技术

能源系统在电路、机械、电器等行业的运作过程中起了至关重要的作用，它为机械和电路的运作提供了源源不断的能量。而目前的能源系统由储能元件、管理电路或系统两部分组成。

从电源管理的角度来讲：集成度最高的线性电源，结构简单，但效率低、不易调节；集成度很高的电荷泵方案的输出功率小功能有限；而采用感性器件构造的管理电路输出功率大，应用灵敏度高，但占用空间大，发热高，不易调节，且容易产生空间电磁波干扰。总结目前的主流技术方案可见，现有的管理电路或系统功能单一，输出形式有限且可调节性差，尤其是软件调节方面。此外，当前这种能量与管理 /控制电路相分离的能源系统集成度很差，占用空间大，系统复杂，容易发生故障。因而有必要研发一种能够实现电源与管理电路可集成于一体的、多功能的、多参数可调节输出的电源系统。

发明内容

本发明将针对现有储能元件与管控电路的功能单一、输出形式有限、可调节性差、集成度不高、系统复杂、容易发生故障的问题，提出了一种基于磁性隧道结的非易失可编程储能单元阵列管理系统。

本发明一种基于磁性隧道结的非易失可编程储能单元阵列管理系统，本发明微控制器电路根据外部输入的指令给MTJ读电路和MTJ 写电路传输指令。MTJ写电路可对阵列进行写操作，将微控制器电路发送的不同指令转换为MTJ的高、低电阻状态。MTJ读电路对MTJ阵列进行读操作，将MTJ的高、低电阻状态转换成高、低电平。MTJ 读电路的输出端连接开关阵列的控制端，MTJ阵列内存储的信息可以调节开关阵列呈现不同的电路节点连接状态。同时，开关阵列间不同的节点连接状态对应储能元件之间不同的串、并联连接关系，以此控制系统的放电端输出不同的电源输出形式。储能元件阵列的输出端和系统的放电端连接模拟数字转换电路的输入端，模拟数字转换电路的输出端连接到微控制器电路，该模拟数字转换电路将系统放电端和储能元件输出端的模拟电压值转换为微控制器所需的数字量，由此可实现各自输出电压的闭环控制。

作为优选，所述的MTJ单元直径为几十纳米的量级，相比于其他非易失存储器件具有更高集成化的潜力。

作为优选，所述的MTJ单元是由三层膜结构组成的薄膜器件，主要结构是由一层较薄的磁性材料(铁、镍、钴)作为自由层；非磁性绝缘金属的氧化物(氧化镁、氧化铜)作为隔离层；以及一层较厚的磁性材料(铁、镍、钴)作为固定层所组成。

作为优选，所述的MTJ写电路是通过控制流入MTJ单元的电流方向进而控制MTJ单元的阻值状态，MTJ写电路具有根据微控制器电路发送的写入指令，控制流入MTJ单元电流方向的功能；写电路所控制的电流是相对电流值，要保证流经MTJ单元的电流可以改变MTJ单元的自由层磁矩，同时也要保证固定层磁矩不会发生翻转，并且器件不会被击穿。

作为优选，述的MTJ读电路可以读取MTJ器件的电阻值状态，输出与电阻状态相对应的逻辑高低电平。