最大功率点跟踪控制压电能量获取系统

摘要

微电子系统有着较为广泛的应用，如无线传感器网络（WSNs：Wireless Sensor Networks），他们将感知、计算和通信功能结合起来，促进人与环境的相互作用，迅速成为当前国际上备受关注的新兴热点研究领域。迄今为止，WSNs节点仍采用电池供电的方式。尽管电池供电技术提供了一个优选的成本效益方面的能量存储技术，能量受限仍是无线传感器网络面临的最重要问题之一。能量获取技术可以解决传统电池供电技术所带来的使用寿命以及环境限制等问题因而有着广阔的应用前景。在众多的能量源中，压电能量源具有较高的功率密度及受环境限制小等优势，吸引了广大科研学者的关注。对于压电能量获取，关键技术是整流器接口电路的设计，整流器接口电路需要较高的转换效率才可以有效利用从压电能量获取装置收集的能量。此外，从压电能量获取装置的输出功率曲线表明，其输出功率受负载电阻的影响。为使压电能量获取装置能一直以最大功率输出，最大功率点跟踪电路（Maximum Power Point Tracking,MPPT）的设计也成为压电能量获取中需要攻克的难点。应用于压电能量获取的MPPT电路，为了保证能量收集的高效率，MPPT电路需要有着较高的跟踪精度以及较高的功率转换效率。与此同时，由于大多数压电能量获取装置能提供的能量都小于mW量级，对于某些微型电子设备或集成电路，不足以满足其对输入功率的需求，如何对获取的能量进行有效的管理也是压电能量获取关键技术之一。 本文结合传统两级同步整流器的优势，从传统两级同步整流器中有源二极管反向漏电流和比较器输出振荡产生的原因出发，提出了的一种带失调消除比较器的两级同步整流器。提高了比较器对电流iP的检测精度，改善了传统有源二极管中反向漏电流问题的同时减少了比较器输出端振荡的次数，有效提升了整流器的输出功率。仿真和流片测试结果表明，所设计的接口电路可以实现自供电，不需要外接电路辅助启动。当压电能量获取装置的开路电压大于1.5V时，整流器FOM值高于0.9，整流器的峰值功率转换效率为90%。本文设计的两级同步整流器有着面积成本、易应用等优势。 针对压电能量获取装置输出功率会随着负载变化而变化以及基于开路电压法的MPPT电路会减小输入范围等限制，基于SMIC0.18μm标准CMOS工艺，本文设计了一种基于扰动控制方法的MPPT电路。为了拓宽输入范围，MPPT电路中的转换器采用了Buck-Boost结构；为了提高MPPT电路的跟踪效率，设计了可编程电容阵列时钟产生电路，用于调节Buck-Boost转换器的等效输入阻抗，以达到和压电能量获取装置等效输出阻抗相匹配的目的；在超微能量获取中，将Buck-Boost转换器工作于DCM模式，提高了MPPT电路的功率转换效率。后仿结果表明，当压电传感器的输出开路电压从2V变化到7.2V时，MPPT的跟踪效率大于84%，当转换器的输入电压VREC为2.5V时，MPPT电路的峰值跟踪效率为98%。该MPPT电路输入功率范围为33μW-2mW，静态功率消耗为15μW，MPPT电路峰值功率转换效率为84%。 此外，本文结合间歇式功率管的方法，设计了间歇式功率管理电路，其中主要核心电路为高效的具有快速负载响应的自适应导通时间控制的Buck转换器。当负载在1μs跃变95mA时（5mA-100mA），欠脉冲电压约为5mV，且恢复时间小于8μs。当负载电流大于5mA时，功率转换效率不低于65%，负载电流约为25mA时，其峰值功率转换效率约为87%。 最后，本文设计的压电能量系统在2V-7.2V的开路范围内有着65%的峰值总体功率转换效率。

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