用于微小能量收集的交流-直流-直流(AC-DC-DC)升压器的设计与研究

摘要

在过去几年中，无线传感器和通信节点网络的发展引起了研究学界的极大兴趣，无线传感器网络对我们人类生存的众多方面具有积极影响，然而传感器面临着供电方面的严峻挑战。因此，对于如何能够从周围的环境中提取有用的电能供传感器使用引起了广泛关注。 振动能转换是能量收集的有效途径之一，本文提出了一个压电式能量收集与管理电路，主要做了以下一些工作： （1）对振动能量的收集结构以及压电能量管理电路的研究现状进行了详细分析，同时介绍了它们的发展趋势。 （2）分析了压电式微型发电机的等效模型，阐述了用于振动能量收集电路的AC-DC整流电路和DC-DC升压电路的工作原理。 （3）设计了一个高效的、宽输入电压振幅范围的整流器，该整流器包含一对栅交叉耦合连接的NMOS晶体管和两个有源二极管。栅交叉耦合结构使得NMOS管导通时压降很小，有源二极管通过低功耗比较器控制PMOS晶体管的导通或关断，工作时类似一个理想的二极管。当输入电压振幅为0.5V，频率为100Hz时，整流器的电压转化效率和能量转化效率分别可以达到98%和95%，输入电压在0.45V-1.8V的范围内，电路都能保持较高的效率，并且可以通过采用栅-源击穿电压较高的工艺来提高最大输入电压振幅而不会影响电路的性能。 （4）利用脉冲频率调制方式在轻载时高效的特性，设计了一个数控型升压变换器，它负责将整流级输出的直流信号转换成大小合适的直流电压为传感器供电。此电路工作在电流断续模式，通过检测节点电压，控制驱动信号当电感电流为零时断开开关。当输入电压为500mV时，输出为1.8V时，电路的能量转化效率可以达到85%。 （5）本文还提出了一个纳功耗基准电压源，当供电电压为0.9V时，其温度系数为8.67 ppm/℃，需要消耗的功率仅为5nW。 基于0.18μm CMOS工艺的cadence spectre仿真结果显示，在激励信号振幅500mV，频率为100Hz的正弦电压下，系统的输出电压能基本稳定在1.8V，能量转换效率可以达到80%，纹波电压可以控制在25mV以内。

目录

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第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2振动能量收集结构国内外研究现状和发展趋势

1.3压电能量管理电路国内外研究现状和发展趋势

1.4本文研究的主要内容及章节安排

第二章 压电能收集与管理电路分析

2.1压电式微型发电机的物理模型

2.2压电能量收集电路

2.3升压变换电路

2.4本章小结

第三章 压电能收集与管理电路设计

3.1系统方案

3.2高效宽输入电压范围整流电路设计

3.3数控型升压变换电路设计

3.4本章小结

第四章 压电能收集与管理电路仿真

4.1整流电路的仿真与分析

4.2升压变换电路的仿真与分析

4.3整体电路的仿真与分析

4.4本章小结

第五章 版图设计

5.1设计流程

5.2基本规则

5.3可靠性设计

5.4版图实现

5.5本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录