适用于能量获取电路的升压型DC-DC转换器电路关键技术研究

摘要

随着IC技术和工艺水平的快速提高，电子设备已广泛应用在人们的日常生活当中。同时，电子设备也在逐步占领可穿戴领域。目前市场已开发出的智能手表、智能手环、智能眼镜等都已开始替代传统可穿戴设备。可预见的是，电子设备将会持续蓬勃发展，并且体积会更小、续航时间会更长。但是，这些设备的供电模式仍是电池供电。这种传统的供电模式极大程度地限制了这些便携设备的应用周期和应用场合。对于外围环境存在的能量，比如热能、太阳能、机械振动能等，如何获取这些能量并转化为可利用的电能，从而提高电源使用周期至关重要。然而，从这些能量获取电路中得到的输出功率非常低，通常在几十微瓦到几百微瓦之间，这样小的数量级并不足以为后续设备提供可用的电源电压，所以，如何将输出电压升高到可供这些电子设备正常工作的电压，并可以进行有效的电源管理就非常重要了。
　　出于上述情况的考虑，本文设计了一款可用于能量获取电路的升压型DC-DC转换器。该转换器包括谐振升压电路、同步整流器、带隙基准电压源（Bandgap Reference，BGR）、电源转换模块、低压差（Low Dropout，LDO）线性稳压器、充电控制模块、可编程电阻模块等电路。谐振升压电路大大降低了最低可输入电压值，同步整流器具有高转换效率的性能，LDO线性稳压器可输出稳定的直流电压，为外部微处理器供电。同时，电路中还包括储能电容，保证电路在没有电源电压的情况下仍能正常工作，延长了电路的使用周期，并加入保护电路保证了系统正常的工作。
　　本文首先研究了能量获取电路的完整工作流程，分别对AC-DC整流器和DC-DC转换器的类型和工作原理进行了分析，着重对升压型（Boost）DC-DC转换器进行了分析，包括其工作模式、调制方式、反馈环路和补偿方式等。然后提出了电路的整体结构，从系统级详细分析了电路的工作原理，随后重点针对电路中的主要功能模块进行了研究，最后基于SMIC0.18μm工艺，使用Spectre软件对各个模块以及整体电路进行仿真验证。
　　仿真结果表明，该DC-DC转换器的输入电压最低可达到20mV，极低的输入电压可使得该DC-DC转换器适用于能量获取电路和电源管理电路。输出电压范围为2.35V～5V，并且应用可编程电阻模块能够输出4个不同电压值，针对不同应用可选择最合适的输出电压，从而提高电压使用效率。LDO线性稳压器输出固定的2.2V电压，可为低功耗电路提供一个稳定的电源电压，同时设计了过流保护电路使整个系统的工作更加安全。储存电压VSTORE在电源电压缺失或较低的条件下可作为备用电源电压为电路供电，极大地提高了设备的使用周期。整体电路静态电流为6μA，能量转换效率在负载电流300μA条件下为64％，这些都保证了电路对输出充电电容的充电速率。仿真结果说明本文提出的具备低输入电压的升压型DC-DC转换器适用于无线传感设备或能量获取设备当中。

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第一章 绪论

1.1能量获取技术

1.2电源管理技术国内外研究现状和发展趋势

1.3本文的主要工作和章节安排

第二章 能量获取电路的关键技术

2.1 AC-DC整流器结构

2.2 DC-DC转换器结构

2.3 Boost型DC-DC转换器的工作模式分析

2.4 DC-DC转换器的调制方式的选择

2.5反馈环路控制模式选择

2.6环路稳定性分析

2.7本章小结

第三章 本文设计的DC-DC转换器

3.1电路拓扑结构及工作原理

3.2谐振升压电路设计

3.3同步整流器电路设计

3.4带隙基准电路设计

3.5电源转换模块设计

3.6 LDO线性稳压器设计

3.7充电控制模块设计

3.8可编程电阻模块设计

3.9本章小结

第四章 电路的仿真验证

4.1谐振升压电路性能仿真

4.2同步整流器电路性能仿真

4.3带隙基准电路性能仿真

4.4电源转换模块性能仿真

4.5 LDO线性稳压器性能仿真

4.6充电控制模块性能仿真

4.7整体电路系统仿真

4.8本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

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