Интегральные модули питания для беспроводных пассивных микроустройств

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

А. С. СИНЮКИН
Б. Г. КОНОПЛЕВ

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МОДУЛИ ПИТАНИЯ
ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ ПАССИВНЫХ

МИКРОУСТРОЙСТВ

Монография

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2023

УДК 621.382.3:621.314
ББК 32.853.1

С38

Печатается по решению экспертной группы комитета 

по инженерному направлению науки и образования при ученом совете 

Южного федерального университета
(протокол № 7 от 17 апреля 2019 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, доцент Санкт-Петербургского государственного
электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Е. А. Рындин

доктор технических наук, доцент Южного федерального университета 

И. Е. Лысенко

Синюкин, А. С.
С38
Интегральные модули питания для беспроводных пассивных мик-

роустройств : монография / А. С. Синюкин, Б. Г. Коноплев ; Южный 
федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2023. – 163 с.

ISBN 978-5-9275-4450-9
DOI: 10.18522/801314081
В монографии исследуются особенности проектирования интегральных 

компонентов для модулей питания беспроводных пассивных микроустройств, 
которые могут применяться в интернете вещей, сетях беспроводных датчиков, 
системах мониторинга состояния, приложениях радиочастотной идентификации 
и в других областях. Цель издания планируемой монографии заключается 
в предоставлении возможности ознакомления широкой аудитории с результатами 
научных исследований, в частности в рассмотрении оригинальных схем, 
конструкций, моделей, методик и рекомендаций по проектированию, которые 
могут найти применение на практике.

Монография может быть полезной для научно-технических работников, 

инженеров и учащихся, занимающихся разработкой модулей питания на основе 
интегральной микроэлектроники.

УДК 621.382.3:621.314

ББК 32.853.1

ISBN 978-5-9275-4450-9

© Южный федеральный университет, 2023
© Синюкин А. С., Коноплев Б. Г., 2023
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2023

Оглавление

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ………………………………………………………
7

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………
9

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ 
МОДУЛЕЙ ПИТАНИЯ ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ 
ПАССИВНЫХ УСТРОЙСТВ ………………………………………..
12

1.1. Беспроводная передача и сбор энергии радиочастотного из-

лучения ………………………………………………………….........
12

1.2. Ключевые технологии, основанные на беспроводной пере-

даче и сборе энергии радиочастотного излучения ……………….....
15

1.2.1. Беспроводные сенсорные сети ………………………………..
15

1.2.2. Интернет вещей …………………………………………………
16

1.2.3. Технология радиочастотной идентификации ………….....
17

1.2.4. Основные области применения устройств, основанных 

на беспроводной передаче и сборе радиочастотной энергии ……….
18

1.3. Классификация беспроводных микроустройств ……………...
20

1.3.1. Классификация беспроводных микроустройств по типу 

питания ……………………………………………………………...............
20

1.3.2. Классификация беспроводных микроустройств по ча-

стоте входного сигнала …………………………………………………….
23

1.3.3. Классификация беспроводных микроустройств по типу 

реализации …………………………………………………………..............
25

1.3.4. Классификация беспроводных микроустройств по классу 

и поколению ……………………………………………………….................
26

1.4. Структура типового пассивного беспроводного устройства ...
27

1.5. Согласование мощностей и импедансов ………………………
28

1.6. Выпрямители напряжения в пассивных беспроводных мик-

роустройствах ………………………………………………………….
30

1.6.1. Компоненты преобразования переменного тока в посто-

янный ток в составе выпрямителей напряжения ……………………..
30

1.6.2. Способы снижения порогового напряжения МОП-тран-

зисторов ……………………………………………………………………….
31

Оглавление

4

1.6.3. Особенности использования МОП-транзисторов в каче-

стве выпрямляющих компонентов ……………………………………….
32

1.6.4. Альтернативные подходы при выборе конструкции и 

технологии изготовления транзисторов ………………………………..
33

1.6.5. Применение конденсаторов в выпрямителях напряжения
34

1.6.6. Особенности использования ректенн в составе пассив-

ных беспроводных устройств ……………………………………………..
35

1.7. Конфигурации выпрямителей и умножителей напряжения, 

применяемые в пассивных беспроводных микроустройствах ……...
36

1.7.1. Удвоитель напряжения …………………………………………
37

1.7.2. Умножитель напряжения на основе схемы накачки за-

ряда Диксона …………………………………………………………………..
38

1.7.3. Умножитель напряжения на основе схемы Кокрофта–

Уолтона ………………………………………………………………………..
40

1.7.4. Преобразователь напряжения постоянного тока с повы-

шением напряжения …………………………………………………………
41

1.7.5. Выпрямители напряжения с дифференциальным управ-

лением ………………………………………………………………………….
42

1.8. Стабилизаторы напряжения в пассивных беспроводных мик-

роустройствах ………………………………………………………….
44

1.8.1. Стабилизаторы с малым падением напряжения ………….
45

1.8.2. Стабилизаторы напряжения на основе цифровых ком-

понентов ………………………………………………………………………
47

Краткие выводы ……………………………………………………..
48

РАЗДЕЛ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ С ПОВЫШЕННОЙ 
ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ УМНОЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ………...
51

2.1. Исследование однополупериодного выпрямителя напряжения ..
51

2.2. Исследование различных конфигураций выпрямителей 

напряжения ……………………………………………………………
54

2.3. Исследование влияния параметров компонентов умножите-

лей на выходное напряжение типового умножителя на основе 
схемы Диксона ………………………………………………………..
56

Оглавление

5

2.4. Предлагаемая модификация умножителя напряжения на ос-

нове схемы накачки заряда Диксона ………………………………
66

2.5. Результаты моделирования предлагаемого умножителя и срав-

нение их с результатами моделирования типового умножителя ……..
69

2.6. Методика моделирования многокаскадных КМОП-выпрями-

телей-умножителей в Spice-совместимых программных средах разработки 
и моделирования электрических схем ……………………...
79

Краткие выводы ……………………………………………………..
91

РАЗДЕЛ 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
С ПОВЫШЕНИЕМ УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ …………………..
94

3.1. Анализ существующих моделей выпрямителей и умножите-

лей напряжения ………………………………………………………..
94

3.2. Модель умножителя напряжения с типовым соединением вы-

водов МОП-транзисторов в диодном включении …………………...
96

3.3. Модель предлагаемого умножителя напряжения на основе 

МОП-транзисторов в диодном включении …………………………..
99

3.4. Сравнение результатов расчетов по полученным моделям 

умножителей с результатами моделирования в САПР Tanner EDA
101

3.5. Протокол и модель накопления и расходования энергии вы-

прямителем-умножителем напряжения ……………………………...
105

3.6. Рекомендации по проектированию многокаскадных КМОП-вы-

прямителей-умножителей напряжения ………………………………..
111

Краткие выводы ……………………………………………………..
115

РАЗДЕЛ 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА
ЦИФРОВЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ 
С ФАЗОЧАСТОТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ………………………...
118

4.1. Анализ стабилизаторов напряжения с малым падением напря-

жения, применяемых в беспроводных маломощных устройствах …….
118

4.2. Особенности построения цифрового стабилизатора напряже-

ния с фазочастотным управлением …………………………………...
120

4.3. Анализ и моделирование предлагаемого цифрового стабили-

затора напряжения с фазочастотным управлением …………………
128

Оглавление

6

4.4. Преимущества предлагаемого цифрового стабилизатора 

напряжения ……………………………………………………………
138

Краткие выводы ……………………………………………………..
139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………..
141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………….
143

Предисловие

7

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель работы, результаты которой изложены в настоящей моногра-

фии, заключается в обзоре и анализе существующих модулей питания беспроводных 
пассивных микроустройств, таких как метки радиочастотной 
идентификации или беспроводные датчики, и в исследовании и разработке 
методов совершенствования компонентов этих модулей. Структурно монография 
состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных 
источников.

Во введении формулируется и кратко раскрывается исследуемая 

проблема, рассматриваются основные направления работы и решаемые задачи, 
раскрываются актуальность разработки и области применения изучаемых 
устройств.

В первом разделе выполнен аналитический обзор литературных ис-

точников по тематике работы, в котором рассматриваются особенности 
беспроводной передачи энергии и беспроводного питания, выполняется 
классификация устройств по типу питания, режимам работы, диапазонам 
частот и других параметрам, проводится структуризация и обобщение известных 
модулей питания по компонентному составу. Отдельное внимание 
уделяется двум основным модулям, обеспечивающим питание в беспроводных 
пассивных микроустройствах
–
выпрямителям-умножителям 

напряжения и стабилизаторам напряжения.

Второй раздел посвящен исследованию и проектированию схемы и 

конструкции интегрального многокаскадного выпрямителя-умножителя 
напряжения. Проводится сравнение существующих схем выпрямителей по 
уровню выходного напряжения, эффективности и занимаемой площади. 
Предлагаются схемотехнические, технологические и топологические решения 
по совершенствованию известных интегральных выпрямителей-
умножителей напряжения. Проводится подробное моделирование, характеризующее 
влияние пороговых напряжений, размеров транзисторов, величины 
нагрузочного сопротивления и других параметров на производительность 
разрабатываемого устройства.

В третьем разделе представлены разработанные аналитические ма-

тематические модели многокаскадных умножителей напряжения. Особенностью 
этих моделей является, во-первых, наглядность и лаконичность, 

Предисловие

8

благодаря чему они могут применяться для оценочного прогнозирования 
при разработке интегральных умножителей, а во-вторых, в построенных 
моделях учитывается влияние эффекта подложки на характеристики МОП-
транзисторов, который при увеличении числа умножающих каскадов приводит 
к существенному снижению производительности устройства. Проводится 
сравнение результатов компьютерного моделирования с расчетными 
значениями, полученными по представленным моделям, и подтверждается 
их согласованность. Кроме того, в разделе представлена модель процессов 
зарядки и разрядки накопительных конденсаторов с выполнением оценки 
времени, затрачиваемого на эти процессы.

Результаты исследования и разработки интегральных стабилизато-

ров напряжения на основе цифровых компонентов изложены в четвертом 
разделе монографии. Рассматриваются особенности построения и моделирования 
стабилизатора, основанного на сравнении фаз опорного сигнала и 
сигнала, поступающего по каналу обратной связи. Анализируется как так-
тируемый сдвиг регистров в цифровом контроллере, обеспечивающий высокую 
точность и быстродействие стабилизации, так и сниженное потребление 
мощности.

В конце данной монографии подводятся основные итоги работы и 

рассматриваются направления дальнейших исследований по ее тематике.

Введение

9

ВВЕДЕНИЕ

В последние несколько десятилетий все более популярным и акту-

альным становится обеспечение различных электрических устройств и 
приборов энергией для работы без использования электрических проводов.
С одной стороны, такой подход может снижать надежность и стабильность 
работы систем и устройств, но с другой стороны – обеспечивает автономность 
и мобильность, что позволяет существенно расширять рабочие диапазоны 
и границы области применения. Кроме того, с каждым годом механизмы 
беспроводного питания совершенствуются, повышается качество их 
реализации, формируются дополняющие и дублирующие каналы передачи 
и получения энергии, благодаря чему эффективность беспроводных систем 
уже в значительной мере сопоставима с проводными аналогами (или стремительно 
к ним приближается).

Беспроводные микроустройства в настоящее время используются в 

таких развивающихся приложениях, как беспроводные сенсорные сети [1], 
интернет вещей, включая концепции «умного дома» и «умного города» [2], 
радиочастотная идентификация и аутентификация [3] и в других областях. 
В свою очередь, эти приложения находят спрос в более глобальных экономических 
отраслях: промышленности, розничной и оптовой торговле, логистике, 
строительстве, транспорте. Во всех этих примерах беспроводные 
микроустройства выбираются именно из-за возможности удаленного снятия 
сигналов, выполнения измерений, проведения операций наблюдения и 
контроля. Чаще всего питание беспроводных устройств обеспечивается 
встроенным электрическим аккумулятором или аккумуляторной батареей, 
которые поддерживают работу устройств до момента истечения заряда. 
После этого вторичный источник питания требует замены, либо, если это 
не предполагается, беспроводное устройство окончательно выходит из 
строя. И если заменить одно или даже десять беспроводных микро-
устройств не кажется трудной задачей, то когда их счет идет на сотни и 
тысячи, возникает потребность в альтернативных решениях.

Батарейные беспроводные устройства также называются актив-

ными, поскольку способны выполнять свою функцию по обработке информации, 
приему и передаче сигналов без внешних источников энергии. 

Введение

10

Кроме них существуют пассивные устройства, в которых аккумулятора или 
батареи нет, а вместо них установлены специальные модули питания, которые 
и являются объектом исследования настоящей монографии. Эти модули 
преобразуют получаемую по беспроводному каналу энергию, источником 
которой могут служить радиочастотное излучение, вибрации, свет, 
тепло и так далее, в напряжение питания. Ввиду отсутствия батареи, которая 
обычно является самым тяжелым, габаритным, а в некоторых случаях 
и дорогим компонентом активного устройства, пассивные устройства отличаются 
меньшими размерами, весом, стоимостью, а самое главное – не 
требуют замены батареи, что в сильной степени продлевает срок их 
службы. Такое свойство оказывается весьма полезным в тех приложениях, 
в которых замена батареи или самого микроустройства крайне нежелательна, 
например, в случае вживления биоимпланта в человеческое тело [4] 
или перманентного встраивания датчиков в строящееся здание [5].

Очевидным недостатком пассивных устройств является зависимость 

от внешних источников энергии, в отсутствие которых оно не способно выполнять 
свои функции. Поэтому помимо специализированных направленных 
источников энергии (в случае радиочастотной энергии такими источниками, 
например, являются базовые станции) реализуем подход сбора 
энергии из окружающего пространства [6]. Так, устройства, преобразую-
щие в напряжение питание энергию электромагнитных колебаний, при соблюдении 
ряда условий способны собирать и преобразовывать энергию от 
станций сотовой и радиосвязи, телевизионных вышек, сетей Wi-Fi, Blue-
tooth, WiMAX и от других излучающих устройств. В таком случае пассивные 
устройства становятся менее зависимыми от конкретного источника 
излучения, и дальность их работы увеличивается.

Модуль питания, формирующий напряжение питания пассивного 

устройства (беспроводного сенсора, RFID-метки, узла интернета вещей и 
тому подобного), может состоять из множества компонентов, но среди них 
можно выделить два наиболее важных: выпрямитель напряжения с возможностью 
умножения (выпрямитель-умножитель) и стабилизатор напряжения. 
Выпрямитель напряжения преобразует (выпрямляет) собираемую 
антенной радиочастотную энергию, поступающую на его вход в виде переменного 
напряжения, в напряжение постоянного тока [7]. Часто в качестве 
отдельного функционального блока рассматривают так называемую 

Введение

11

ректенну, состоящую из приемной антенны, выпрямителя и схемы согласования 
между ними [8]. Однако просто выпрямить входное напряжение
обычно оказывается недостаточным – из-за низких уровней входной мощности, 
особенно при сборе энергии из окружающей среды, значение выпрямленного 
напряжения может оказаться слишком низким для обеспечения 
питанием остальных компонентов микросхемы пассивного устройства. 
Поэтому требуется также умножение выпрямленного напряжения, в результате 
которого уровень выходного напряжения повышается в несколько 
раз, что определяется количеством умножающих каскадов, схемой включения, 
используемой технологической базой и другими факторами.

Вторым ключевым компонентом модуля питания принято считать 

стабилизатор напряжения [10]. Напряжение после выпрямителя-умножителя 
может быть в некоторых случаях использовано непосредственно, 
особенно если дело касается зарядки накопительного конденсатора большой 
емкости. Однако чаще всего напряжение с выхода умножителя подается 
на вход стабилизатора. Этот модуль позволяет устранить пульсации, 
которые могли остаться в выпрямленном напряжении, а также предотвращает 
отклонение напряжения питания при изменении входного напряжения (
входной мощности) или выходного (нагрузочного) тока. В результате 
при корректной работе стабилизатора напряжение питания поддерживается 
на постоянном уровне независимо от внешних воздействий. 
Также необходимо отметить, что многие стабилизаторы имеют аналоговую 
природу, однако при интегральной реализации микроустройства 
большое значение имеет возможность простого и удобного масштабирования 
и обеспечение технологической совместимости, что достигается за 
счет построения стабилизатора на основе цифровых блоков. Кроме того,
использование цифровых компонентов позволяет также снизить потребляемую 
мощность и уменьшить чувствительность к изменениям температуры 
и параметров технологических процессов.

В монографии подробно рассматриваются особенности построения и 

совершенствования двух важнейших компонентов модулей питания беспроводных 
пассивных микроустройств – выпрямителей-умножителей напряжения 
и стабилизаторов напряжения, которые могут найти применение и в других 
областях микроэлектроники.

Раздел 1. Анализ методов построения модулей питания для беспроводных…

12

РАЗДЕЛ 1

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ МОДУЛЕЙ 

ПИТАНИЯ ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ ПАССИВНЫХ 

УСТРОЙСТВ

Структуру беспроводных микроустройств, используемых в интер-

нете вещей или в технологии радиочастотной идентификации, можно 
условно разделить на антенну, источник питания, схемы модулирования и 
демодулирования сигнала и блоки цифрового управления и памяти. В активных 
устройствах в качестве источника питания выступает аккумулятор. 
Пассивные устройства включают в общем случае все те же составляющие, 
что и активные аналоги, за тем исключением, что источник питания в них 
реализуется посредством совокупности специальных модулей преобразования 
энергии и напряжения, способы построения которых рассматриваются 
в настоящем разделе.

1.1. Беспроводная передача и сбор энергии 

радиочастотного излучения

Беспроводная передача электрической энергии (Wireless Power

Transfer или Wireless Power Transmission, WPT), выполняемая для удаленного 
питания различных электрических устройств посредством изменяющегося 
во времени электромагнитного поля, является очень перспективным 
решением в тех приложениях, где использование проводов или аккумуляторной 
батареи неудобно, неэкономично, опасно или неосуществимо [
11–13].

Одним из первых передачу электрической энергии между двумя точ-

ками в пространстве без использования проводов описал Никола Тесла в 
конце XIX – начале XX вв. [14]. Однако в его экспериментах ввиду отсутствия 
антенн с высокой направленностью эффективность беспроводной передачи 
энергии была невысока. Во второй половине XX в. крупные исследования 
по передаче энергии микроволнового излучения проводились под 
руководством Уильяма Брауна [15]. Они были посвящены созданию и 

1.1. Беспроводная передача и сбор энергии радиочастотного излучения

13

оптимизации ректенны [16], разработке компактного геликоптера, работающего 
на энергии микроволнового излучения [17], совершенствованию системы 
передачи энергии микроволнового излучения со спутников, собирающих 
солнечную энергию на геоцентрической орбите, на Землю [18].

За последние несколько десятков лет появилось еще немало приме-

ров реализации технологии беспроводной передачи энергии [5, 19], и в 
настоящее время системы, реализуемые по этой технологии, можно разделить 
на два основных направления [1, 6, 11, 20, 21]: системы беспроводной 
передачи энергии, основанные на радиочастотном излучении, и неизлучающие 
ближнепольные системы. К первому направлению относятся системы 
передачи энергии дальнего поля, функционирующие за счет излучения 
энергии антенной передающего устройства и распространения ее в 
среде (вакууме, воздухе) на значительное расстояние (во много раз превышающее 
размеры антенны) в форме электромагнитной волны. Ближне-
польные системы полагаются, в свою очередь, на связь по электрическому 
или магнитному полю (индуктивно-связанные устройства) [21, 22]. В зависимости 
от типа используемой антенны одно поле (электрическое в случае 
дипольной антенны или магнитное в случае рамочной антенны) доминирует 
над другим [6, 20]. Дальность действия ближнепольных систем в общем 
случае ограничена несколькими сантиметрами, но их отличает большая 
надежность и стабильность, чем у излучающих систем передачи энергии [
21]. Немаловажен тот факт, что помимо беспроводной передачи электромагнитной 
энергии, часто одновременно осуществляется передача информации (
запроса на идентификацию, идентифицирующего кода, данных 
с датчиков) посредством модуляции и кодирования сигнала [23, 24].

Из-за возросшего количества используемых радиочастотных прие-

мопередающих устройств и повсеместного распространения источников 
электромагнитного излучения в конце XX в. получила развитие технология 
беспроводного сбора энергии (Wireless Power Harvesting, WPH или 
Energy Harvesting, EH) [5, 6, 25–28]. Эта технология позволяет беспроводным 
устройствам получать энергию для питания не от связанных с ними 
передатчиков или базовых станций, а собирать ее из окружающего пространства [
11, 29–31]. К числу источников для беспроводного сбора радиочастотной 
энергии можно отнести радиостанции [30, 32, 33],

Раздел 1. Анализ методов построения модулей питания для беспроводных…

14

телевизионные широковещательные станции [5, 30, 31], сети Wi-Fi [32, 34], 
Bluetooth [35], узлы сотовой связи [28, 30, 31, 36] (рис. 1.1). Количество 
энергии, собираемой из этих источников, может быть недостаточным для 
непосредственного обеспечения питания микросхемы пассивного устройства [
32, 37, 38] вследствие ненаправленного излучения и значительного 
разброса диапазонов частот. Для решения этой проблемы возможна реализация 
специальных протоколов сбора и расходования энергии [2, 30, 39, 
40, 41], использование высокоэффективных антенн и умножителей напряжения [
37], систем многолучевого возбуждения [42, 43] и оптимизируемых 
по мощности сигналов [44, 45].

Рис. 1.1. Источники для сбора радиочастотной энергии 

в городской среде [46]

Немаловажным для технологии беспроводной передачи радиоча-

стотной энергии является реализация минимально возможных габаритов, 
т.е. миниатюризация конечного пассивного устройства, поскольку это позволяет 
расширить его функциональность и диапазон возможных применений, 
обеспечить мобильность и даже возможность носить такие устройства 
непосредственно на одежде или на теле [34, 47, 48].