由于高精度測量系統(tǒng)工作頻率高，數(shù)據(jù)處理量大，功耗也相對較高，而供電系統(tǒng)的好壞直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的精度，所以設計高效率、高可靠性的供電系統(tǒng)具有極其重要的現(xiàn)實意義。本文主要敘述了一個實際高精度測量系統(tǒng)的電源設計。 1DSP和FPGA的電源要求 系統(tǒng)各個電源轉換芯片統(tǒng)一由蓄電池供電。電源模塊在用蓄電池加電時，其電壓上升過程中與達到穩(wěn)定狀態(tài)前可能出現(xiàn)較嚴重的波動。而DSP和FPGA在上電過程中如果電壓波動較大，加載可能失敗并導致后續(xù)加載操作異常。為了保證加載成功，不會產(chǎn)生不受控制的狀態(tài)，所以在系統(tǒng)中加入了電壓監(jiān)控和復位電路，以確保DSP和FPGA芯片在系統(tǒng)加電過程中始終處于復位狀態(tài)，直到電壓達到所要求的電平。同時，一旦電源的電壓降到閾值以下，強制芯片進入復位狀態(tài)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定地工作。因為系統(tǒng)用6V蓄電池供電，所以電壓不會超過6V，只需進行欠壓監(jiān)控。 2電源系統(tǒng)設計 系統(tǒng)中存在模擬電路和數(shù)字電路供電。本文重點介紹數(shù)字電路電源部分。 本設計采用TPS5431×系列電壓轉換芯片設計數(shù)字電源系統(tǒng)，分別產(chǎn)生DSP和PFGA的內核和外圍電壓以及+5V電壓。TPS5431×系列是低電壓輸入、大電流輸出的同步PWMBuck降壓式電壓轉換器，其電路外圍器件少，60mΩ的MOSFET開關管保證了在持續(xù)3A的輸出電流時超過92%高效率；輸出電壓有0.9V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V可選，初始誤差為1%；PWM頻率范圍從280～700kHz；通過峰值電流限制和熱關斷實現(xiàn)過載保護；加強散熱型的PWP封裝為芯片提供了更好的散熱；綜合解決了電路板面積和成本。 2.1內核電壓的產(chǎn)生 本部分主要是為TMS320C6713B和EPIC12設計內核供電系統(tǒng)，其內核電壓分別為1.2V和1.5V，分別用TPS54312和TPS54313來產(chǎn)生，具體電路如圖1、圖2所示。為了滿足供電順序的要求，圖1、圖2中的PWRGD接到圖3中的SS/ENA腳。 參數(shù)的選?。盒酒拈_關頻率設為700kHz，為此，需要保持FSEL腳開路并在RT腳和AGND腳之間串聯(lián)71.5kΩ的電阻；輸出濾波電感的取值范圍在4.7“10μH之間，本文選用4.7μH的貼片電感；SS/ENA腳通過一個低容值電容接地，其功能為使能、輸出延遲和電壓上升延遲。其中延遲時間和電容值成正比，近似為： 式中：td為輸出延遲時間（秒）；C（SS）為SS/ENA腳所接電容（F）；t（SS）為輸出電壓上升延遲時間（秒）。 [...]

應用 能量收集技術可用于為各種傳感器和電子設備提供自主可再生能源，使其能夠利用溫差產(chǎn)生能量。利用效率越來越高的器件，將為充分利用熱能收集的新解決方案鋪平道路。 在可穿戴系統(tǒng)中，用于熱能收集技術的一個有趣方法是利用熱能來產(chǎn)生一些小電流，這實際上利用的是人體溫度和環(huán)境溫度之間的溫度差。無論是在自然環(huán)境還是人工環(huán)境中，到處都存在溫度差。利用這些溫差或梯度都可以產(chǎn)生熱電能。 熱能 根據(jù)物理定律，系統(tǒng)的能量總是守恒的，只是能量有可能從一種形式轉變?yōu)榱硪环N形式。于是，從各種環(huán)境能源中獲取能量是可能的。 在人們生活周圍的環(huán)境中，充滿了溫度和熱量的變化。發(fā)動機廢料產(chǎn)生的熱量、土壤產(chǎn)生的地熱、鋼鐵廠冷卻水產(chǎn)生的熱量以及其他工業(yè)活動都是典型的例子。利用熱電產(chǎn)生器(TEG)和其他一些電子設備，就可以把熱能轉化為電能，然后還可以將其保存在存儲設備中。TEG的基本原理是熱流(由溫差引起)可以轉換為電能。它非常適合體積通常非常小、并且沒有運動部件的固態(tài)低功耗嵌入式設備。 塞貝克效應 塞貝克效應是當材料兩側之間存在溫度梯度時產(chǎn)生電壓的過程。TEG的基本元件是p-n結，它由熱電材料p和n的單個結構組成，每個結構電氣串聯(lián)連接，并摻雜有硼(p)和磷(n)等雜質。 TEG模塊的基本建構塊是幾個串聯(lián)的p-n對。p-n對在此配置中平行排列，以產(chǎn)生與溫度梯度成比例的電壓。要正常工作，設備的熱(Th)側和冷(Tc)側必須處于不同的溫度。熱電材料的性能(由熱電優(yōu)值ZT測得)由公式(1)給出： ZT=S2T/σλ????????????????(1) [...]

關于氣態(tài)或揮發(fā)性污染物對健康影響的新知識層出不窮，它們不斷向人們強調著對室內外空氣質量進行監(jiān)測的必要性。許多揮發(fā)物即使是處于微量水平，在短時間暴露后，仍然會對人體健康有害。越來越多的消費品和工業(yè)產(chǎn)品都可能排放已知有害的揮發(fā)物，包括家具、乘用車和工業(yè)卡車。人們對檢測氣態(tài)污染物的關注度不斷上升，希望通過建立相關有效的響應機制降低或消除這種健康風險。許多國家以及國際組織一直在致力于制定各種指南、法規(guī)和標準，以監(jiān)測工業(yè)、醫(yī)療、戶外、室內辦公以及住宅環(huán)境中的空氣質量。根據(jù)這些指南，制造商可以對其產(chǎn)品進行認證，也可以讓用戶了解可最低限度接受的氣態(tài)污染物水平。例如，美國環(huán)境保護署 (EPA) 就利用尖端科學制定法規(guī)，以高性價比的方式減少并控制空氣污染。對于最常見的污染物，EPA 每五年整理一次數(shù)據(jù)，重新評估空氣法規(guī)的完善性。該機構還明確了可能影響空氣質量的特定化學物及其來源，如汽車、卡車和發(fā)電廠。EPA的主要目標之一就是將污染物與帶來健康風險的主要來源關聯(lián)起來。 氣體監(jiān)測傳感器的類型 用于空氣質量監(jiān)測?(AQM)?的氣體分析儀有兩大類。根據(jù)監(jiān)管部門接受度，排名第一的仍是傳統(tǒng)分析儀器，例如氣相色譜?(GC)、質譜?(MS)、化學發(fā)光?(CL)、紫外/可見?UV/VIS、激光和光聲系統(tǒng)。多年以來，這些現(xiàn)場便攜、甚至可穿戴的傳統(tǒng)技術已經(jīng)表現(xiàn)出卓越的性能，而且多數(shù)已獲得?EPA、世界衛(wèi)生組織?(WHO)?和其他國家及國際組織的批準或認可。但對用戶而言，傳統(tǒng)分析儀也存在諸多缺陷，例如使用成本過高、電力需求大，并且通常需要頻繁的維護。這限制了它們在廣泛性氣體監(jiān)測中的普遍采用。排名第二的是基于不同設計原理的傳統(tǒng)氣體傳感器，如基于電化學和金屬氧化物?(MOx)?、Pellistor、非色散紅外?(NDIR)?或其他。為了應對的氣體傳感器應用繁多的現(xiàn)狀，如消費者可用的室/內外?AQM、醫(yī)療診斷和國土安全等不同領域的應用，人們對價格合理且高性能傳感器的需求凸顯。近年來，氣體傳感器制造商已經(jīng)采取了一些新的技術和制造規(guī)范，包括電化學傳感器中的非水電解質，以及MOx、Pellistor?和?NDIR?傳感器中采用的微加工MEMS技術。這些技術的進步推動了功率、成本以及尺寸方面的優(yōu)化。尤其是尺寸方面的進步更加醒目，部分現(xiàn)代傳感器的尺寸甚至從一顆櫻桃的大小縮小到一粒米的大小。 氣體傳感器的市場發(fā)展趨勢 為了解不斷增長的氣體傳感器市場趨勢，SEMI?MEMS?和傳感器產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟?(MSIG)?聯(lián)絡了多家氣體傳感器系統(tǒng)開發(fā)商，研究現(xiàn)有的傳感器模塊是否能夠滿足他們的需求，明確傳感器制造商們需要解決的共同痛點，以便跟上要求苛刻的新應用的腳步。在參與調查的公司中，目標應用范圍從個人健康監(jiān)測到智慧城市的大范圍環(huán)境監(jiān)測不等。大多數(shù)公司都指出，空氣質量是其關注的主要參數(shù)。盡管用例不同，但多數(shù)公司都希望他們的應用能夠在室內和室外環(huán)境中以同樣高精度水平的工作。然而，調查結果顯示，并沒有一款適合所有用例的解決方案。室內和室外的污染物不同，針對不同污染物的檢測技術能力也各有所長。該次調查收集了傳感器的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，包括精度、尺寸、數(shù)據(jù)速率、功耗、標定和價格，以及每個參數(shù)對其應用的影響。這些公司還提供了對裸傳感元件以及傳感器系統(tǒng)的評價。傳感器系統(tǒng)中包含了標定、數(shù)據(jù)傳輸和傳感器邏輯等輔助組件。精度：在沒有混雜氣體的情況下進行測量時，大約一半的受訪公司對市場現(xiàn)有傳感器的精度感到滿意。氣體傳感器制造商正在努力提高傳感器對目標氣體的選擇能力，同時降低其他氣體的干擾。報告中對漂移和標定等其他問題也有提及。近幾年來，氣體傳感器在大多數(shù)關鍵性能參數(shù)方面都有了巨大的改善。MEMS等新技術也越來越多地綜合利用傳感器硬件、集成氣體過濾器和軟件技術，以提高性能，并達到可以與傳統(tǒng)分析儀器解決方案相媲美的性能水平。尺寸：此次調查涉及的傳感器封裝尺寸從3mm?x?3mm到10mm?x?10mm不等。氣體傳感器的尺寸取決于設備采用的技術。金屬氧化物傳感器的尺寸可以很小，滿足3mm?x?3mm的尺寸要求；而NDIR、電化學和Pellistor傳感器則相對較大。數(shù)據(jù)速率：多數(shù)參與調查的公司并未報告他們偏好的數(shù)據(jù)速率，提供信息的頻率從每秒一次到每10分鐘一次不等。通常，氣體傳感器的數(shù)據(jù)速率應與所監(jiān)測氣體濃度變化的預期時間常數(shù)相當。例如，智能辦公大樓可以根據(jù)被監(jiān)測房間的體積和空氣交換速度，以每1-10分鐘一次的數(shù)據(jù)速率檢測二氧化碳濃度的變化。相比之下，考慮到室外有風模式的動態(tài)條件，在智慧城市的都市環(huán)境中檢測公共汽車站附近氣體的突變，其數(shù)據(jù)速率應約為每秒一次。功耗：各公司提交的數(shù)據(jù)顯示，功耗范圍從100μW到1W不等。我們猜測如此寬范圍可歸因于設備是電池供電還是線路供電。氣體傳感器是系統(tǒng)的一部分，通常需要直接在系統(tǒng)功耗與其數(shù)據(jù)速率之間進行權衡，降低數(shù)據(jù)速率將有助于降低功耗。但現(xiàn)代氣體傳感器系統(tǒng)設計具備數(shù)字接口和可編程性，利用睡眠模式、斷電或其他類似技術也可優(yōu)化功耗。標定：參與調查的公司都存儲了特定應用的標定參數(shù)，無論是采用裸傳感元件還是傳感器系統(tǒng)。大多數(shù)公司都希望氣體傳感器系統(tǒng)在出廠之前進行標定，但同時也希望提供下線標定（End?of?Line?Calibration）的選擇。令人意外的是，這些公司都表示愿意在發(fā)貨前進行下線標定，盡管這通常會增加成本。這種意愿表明了高精度的重要性，而且各公司都愿與傳感器制造商共同努力，實現(xiàn)這一目標。價格：對于氣體傳感器當前的定價，各公司的滿意度則參差不齊，具體取決于他們購買的是裸傳感元件還是包含標定、數(shù)據(jù)傳輸、傳感器邏輯或其他功能的傳感器系統(tǒng)。預期價格范圍從大批量消費設備的幾美元到工業(yè)或汽車用例的10多美元不等。最新的氣體傳感技術進步使降低成本成為可能。例如，通常采用體硅工藝的 MEMS解決方案就有降低成本的可能性，盡管這些技術還不是目前使用的廣泛性氣體傳感器解決方案。此外，非氣體傳感器中的大多數(shù)MEMS平臺都集成了數(shù)字功能，這使其更容易被更大的傳感器網(wǎng)絡控制或集成，從而有可能為最終用戶降低這些傳感器的總擁有成本（TCO）。傳感器系統(tǒng)標定是 MEMS和任何其他傳感器系統(tǒng)成本的重要組成部分，業(yè)界已將其確定為降低成本的關鍵步驟。

設計和優(yōu)化天線并非易事。如果要設計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)天線，可以使用參考設計作為起點。 問題是，如果將其應用到最終產(chǎn)品設計，能通過改變什么參數(shù)來優(yōu)化設計呢？ 人們可能認為，對經(jīng)驗豐富的設計師來說，設計和優(yōu)化天線可能會很容易。畢竟，他們已是專家，并在工作過程中，目睹過或親自經(jīng)歷過不少失敗，并吸取過不少經(jīng)驗教訓。然而，技術標準一直在快速升級，年輕的設計師根本沒有犯錯的經(jīng)驗，而且還要求他們在更短的時間內設計產(chǎn)品上市，并保證設計“一次成功”，這如何實現(xiàn)呢？解決方案是利用EDA軟件！因為在一定程度上，電子設計是可以利用軟件自動實現(xiàn)的。 本文討論一款工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的藍牙天線設計，設計目標是將藍牙天線集成到無顯示器的產(chǎn)品中，并利用智能手機上的應用程序來實現(xiàn)對設備的各種配置。實際上這也是一項常用設計，設計概念同樣適用于其他各類不同產(chǎn)品。 通過網(wǎng)上搜索，找到了Cypress半導體的一款藍牙天線參考設計。不過其說明書中已注明，該設計僅供參考，并不能用作實際產(chǎn)品模塊設計。因為它只是為實驗室工作而設計的，目的是為軟件工程師搭建開發(fā)平臺，使他們在PCB設計出來之前，就能夠同步進行軟件開發(fā)。 由于原理圖、BOM和PCB布局等設計數(shù)據(jù)，均以Cadence?Allegro格式提供，因此可將其作為優(yōu)化的起點。不過該參考設計在實驗室中用的是大連接器。 故該設計有兩個目標，分別是天線小型化和天線性能優(yōu)化。當利用剛柔PCB來替代大連接器時，可以實現(xiàn)天線結構的小型化。但這會對天線性能產(chǎn)生什么影響呢？對此進行了一系列“假設”分析，以了解這些變化的影響，并提出實現(xiàn)這兩個目標的正確策略。 微波設計數(shù)據(jù)的導入和設置非常簡單。端口是以自動方式設置的，設計師必須輸入一些用于網(wǎng)表的參數(shù)。另外，還輸入了所選PCB的實際材料值，包括合適的厚度和介電常數(shù)值(FR-4：標準Isola?370HR，εr=4,0)。 在初次分析中，重點研究了折式倒置型F天線的長度、以及芯片和天線之間的阻抗匹配網(wǎng)絡。 根據(jù)2.45GHz設計頻率上的天線回波損耗，通過各種天線長度的組合掃頻分析，得出了天線最佳長度。

隨著電力電子技術的發(fā)展，各種開關電源、PWM脈寬調制器、變頻器、斬波器等電子電路的應用不斷擴大，這些電子電路中的主回路，無論是采用了晶閘管，還是VDMOS、IGBT、GTO等新型電子器件，都需要一個與之并聯(lián)的快速二極管，以減少電容的充電時間，提供負載的無功電流通道，同時抑制因負載電流瞬間反向而感應的高電壓。由于這些電子器件的頻率和性能不斷提高，要求與之匹配的二極管必須具備恢復時間短，反向恢復電流小和軟恢復等特點。而快恢復二極管(FRD)因具備上述特點而被廣泛應用。本文簡要介紹快恢復二極管的反向恢復過程，及基于TCAD軟件工具采取一系列方法優(yōu)化恢復二極管的反向恢復，使其能夠實現(xiàn)快速而軟的恢復。 快恢復二極管的反向恢復 反向恢復過程 所有的PN結二極管，在傳導正向電流時，都以少數(shù)載流子的形式存儲電荷。少子的注入引起的電導調制效應可降低通態(tài)電壓(VF),從這個意義講，它對二極管是有益的。但是當正在導通的二極管突然加一反向電壓時，由于二極管內存有大量的少子，故在二極管截止前，需要一段時間將這些少子全部中和或抽出，這個過程就是反向恢復過程，所需的時間就是反向恢復時間(trr)。 反向恢復的全過程可分為五部分，如圖1所示。在時間t0之前，快恢復二極管處于正向導通狀態(tài)，空穴向基區(qū)N-擴散，電子由N-區(qū)向P+區(qū)擴散，此過程二極管內存儲大量的少數(shù)載流子。 t0-t1(電流下降過程)：當t0時，快恢復二極管被加上反向電壓VR。此時P+N-結的N-區(qū)存在的大量少數(shù)載流子依然向陰極方向擴散，且濃度大于由N-區(qū)往P+區(qū)抽出和復合消失的少數(shù)載流子濃度，故電流依然保持正向流動的方向(只分析了N-區(qū)的少子，P+區(qū)的少子同理)。隨著N-區(qū)邊緣的少數(shù)載流子濃度愈來愈小，電流雖保持正向流動的方向，但其值在以di/dt的速度逐漸減小(di/dt的大小由反向電壓VR，電路的電感系數(shù)及電路結構決定)。直至t1時，N-區(qū)邊緣的少子擴散濃度與基區(qū)N-區(qū)向P+區(qū)漂移的少子濃度相持平，此時電流開始反向。 t1-t2(電荷存儲過程)：N-區(qū)邊緣的空穴繼續(xù)被抽出和復合掉。直至時間t2時，空穴的濃度低于N-區(qū)熱平衡值(總的熱載流子濃度為零)，致使電壓開始反向開始形成耗盡層。 t2-t3(電壓上升過程)：耗盡層形成以后，加劇漂移區(qū)的過剩載流子的抽取，且反向電壓以dv/dt的速度增大。隨著電壓不斷增大，耗盡層寬度越來越大，直到電壓達到外加電壓VR時(di/dt=0)，電流到達最大Ipr。 t3-t4(感應過程)：電流達到最大值Ipr后，則以diR/dt的速度衰減，在感性負載的影響下，反向電壓將進一步增加直至t=t4時。此時恢復電壓達到最大值Vpr，同時二極管的耗盡層也達到最寬。 t4-t5(恢復過程)：電壓的回降使得耗盡層隨之變窄，到t5時電壓和耗盡層寬度基本下降到穩(wěn)定值，電流達到漏電流。而反向恢復失效往往發(fā)生在此過程。