工作模式可重构的能量收集控制电路及DC-DC转换器制造技术

本发明专利技术公开一种工作模式可重构的能量收集控制电路及DC‑DC转换器，工作模式可重构的能量收集控制电路采用单迟滞比较器以及时序控制电路，单迟滞比较器通过对输出电压的监测以决定升降压电路的工作状态，时序控制电路根据相应的工作状态生成开关信号S1‑S5，DC‑DC转换器利用工作模式可重构的能量收集控制电路所生成的开关信号S1‑S5，提高了输出电压的稳定性，在备用锂电池给负载供电的同时系统可以持续追踪环境能量电池的最大功率并进行持续的环境能量收集，从而提高了系统对环境能量的利用率，其能量转换效率在78％以上，环境能量追踪效率在98％以上。

Reconfigurable Energy Collection Control Circuit and DC-DC Converter

【技术实现步骤摘要】
工作模式可重构的能量收集控制电路及DC-DC转换器
本专利技术涉及集成电路设计
，具体涉及一种工作模式可重构的能量收集控制电路及DC-DC转换器。
技术介绍
随着集成电路的高速发展，物联网微型无线传感器系统已经应用到我们生活中的方方面面。尽管有些无线传感器系统的功耗并不太高，但是物联网应用中鉴于便携式微型化的要求，通常要求供电电池要做到微型化并尽可能不更换或者少更换电池。而微型电池的容量通常更小，难以为物联网系统提供长时间的续航。近十年来，能量收集技术及其环境能量电池技术得到了广泛的研究，这为有效解决电池容量低且续航时间过短的问题带来了希望，该技术通过将环境中采集到的光、热、射频电磁波等能量转化为电能并存储起来，从而使无线传感器系统达到半永久或永久使用的目的。传统的单电感能量收集电路将控制模式分成轻负载和重负载两种模式，其主要存在问题是模式切换需要一定的时间，故当负载功率突变时输出电压也同样会发生突变，表现为当负载功率从高变低时输出电压会出现向上跳变的尖峰，而负载功率从低变高时输出电压会出现向下跳变的尖峰，这带来了DC-DC转换器的稳定性问题。同时，目前多数单电感能量收集电路在重负载下不能够收集环境能量，而可以继续收集环境能量的单电感能量收集电路多数并不能继续对环境能量电池的最大功率点进行追踪，从而使得环境能量电池的利用率较低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的是现有单电感能量收集电路稳定性差和能量利用率低的问题，提供一种工作模式可重构的能量收集控制电路及DC-DC转换器。为解决上述问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：工作模式可重构的能量收集控制电路，由开关信号S1和S2产生电路、开关信号S4产生电路、以及开关信号S3和S5产生电路组成。所述开关信号S1和S2产生电路包括快速比较器I1，缓冲器I2，延时生成器I3、I4，以及反相器I21。快速比较器I1的同相输入端形成能量收集控制电路的信号VCIN输入端，快速比较器I1的反相输入端形成能量收集控制电路的信号VM输入端。快速比较器I1的输出端接缓冲器I2的输入端，缓冲器I2的输出端同时接延时生成器I3和I4的输入端。延时生成器I3的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S2输出端。延时生成器I4的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S1输出端。反相器I21的输入端接延时生成器I4的输出端。所述开关信号S4产生电路包括基准电源I5，振荡器I6，迟滞比较器I7，以及一个三输入与非门I8。基准电源I5的输出端接迟滞比较器I7的同相输入端，迟滞比较器I7的反相输入端形成能量收集控制电路的信号VOUT输入端。延时生成器I4的输出端、迟滞比较器I7的输出端和振荡器I6的输出端分别接三输入与非门I8的一个输入端。三输入与非门I8的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S4输出端。所述开关信号S3和S5产生电路包括迟滞比较器I9，延时生成器I14，反相器I11、I15，比较器I10、I12，以及两输入与门I13、I16。比较器I10的同相输入端形成能量收集控制电路的信号VBAT输入端。比较器I10的反相输入端与比较器I12的反相输入端相连后，形成能量收集控制电路的信号V1输入端。比较器I12的同相输入端同时接迟滞比较器I9的反相输入端和迟滞比较器I7的同相输入端。迟滞比较器I9的同相输入端接基准电源I5的输出端。迟滞比较器I9的输出端同时接反相器I11的输入端和比较器I10的控制端。反相器I11的输出端接比较器I12的控制端。迟滞比较器I9的控制端和两输入与门I13的其中一个输入端同时接迟滞比较器I7的输出端。两输入与门I13的另一输入端接反相器I21的输出端。两输入与门I13的输出端接延时生成器I14的输入端，延时生成器I14的输出端同时接快速比较器I1的控制端和反相器I15的输入端。反相器I15的输出端和比较器I12的输出端分别接两输入与门I16的一个输入端。两输入与门I16的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S3输出端。比较器I10的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S5输出端。利用上述工作模式可重构的能量收集控制电路所构建的DC-DC转换器，其特征是，包括最大功率点采样电路，电感L1，电容CIN、COUT，NMOS管NM1、NM2、NM3，PMOS管PM1、PM2、PM3，以及工作模式可重构的能量收集控制电路；最大功率点采样电路的一个输入端与环境能量电池相连；电容CIN的一端和NMOS管NM1的漏极相连后，同时连接最大功率点采样电路的另一个输入端和能量收集控制电路的信号VCIN输入端；最大功率点采样电路的输出端接能量收集控制电路的信号VM输入端；NMOS管NM1的源极、NMOS管NM2的漏极和PMOS管PM1的漏极与电感L1的一端连接；电感L1的另一端与PMOS管PM2的源极、PMOS管PM3的源极、NMOS管NM3的漏极相连后，与能量收集控制电路的信号V1输入端连接；PMOS管PM1的源极与PMOS管PM2的漏极相连后，与能量收集控制电路的信号VBAT输入端和备用电池相连；PMOS管PM3的漏极与电容COUT的一端相连后，与能量收集控制电路的信号VOUT输入端和负载相连；电容CIN的另一端、NMOS管NM2的栅极和源极、NMOS管NM3的源极、以及电容COUT的另一端同时接地；能量收集控制电路的开关信号S1输出端接NMOS管NM1的栅极；能量收集控制电路的开关信号S2输出端接NMOS管NM3的栅极；能量收集控制电路的开关信号S3输出端接PMOS管PM3的栅极；能量收集控制电路的开关信号S4输出端接PMOS管PM1的栅极；能量收集控制电路的开关信号S5输出端接PMOS管PM2的栅极。与现有技术相比，本专利技术具有如下特点：1、工作模式可重构的能量收集控制电路采用单迟滞比较器以及时序控制电路，单迟滞比较器通过对输出电压的监测以决定升降压电路的工作状态，时序控制电路根据相应的工作状态生成开关信号S1、S2、S3、S4、S5。其中S1、S2、S3、S4完成基本的升压或者降压功能。控制电路在持续追踪环境能量电池的最大功率点时，单迟滞比较器持续监测输出电压，当输出电压过低时，S5保持恒定高电平，开关信号S4由恒定高电平转为振荡器的振荡信号，以抽取备用锂电池的能量，从而稳定输出电压以及保证环境能量的转换效率；当输出电压过高时，开关信号S4保持恒定高电平，开关信号S5间接性导通，备用锂电池储存来自环境能量电池中多余的能量，从而提高能量利用率。2、DC-DC转换器利用工作模式可重构的能量收集控制电路所生成的开关信号S1、S2、S3、S4、S5，提高了输出电压的稳定性，当输出负载从0.1mW突变到3mW或从3mW突变到0.1mW时，输出电压波动小于30mV；而且在备用锂电池给负载供电的同时系统可以持续追踪环境能量电池的最大功率并进行持续的环境能量收集，从而提高了系统对环境能量的利用率，其能量转换效率在78％以上，环境能量追踪效率在98％以上。附图说明图1为本专利技术的工作模式可重构的能量收集控制电路的电路图。图2为本专利技术的DC-DC转换器的电路图。图3为DC-DC转换器的工作流程图。图4为DC-DC转换器中信号VOUT、S1、S2、S3、S4、S5的工作波形示意图。图5为DC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.工作模式可重构的能量收集控制电路，其特征是，由开关信号S1和S2产生电路、开关信号S4产生电路、以及开关信号S3和S5产生电路组成；所述开关信号S1和S2产生电路包括快速比较器I1，缓冲器I2，延时生成器I3、I4，以及反相器I21；快速比较器I1的同相输入端形成能量收集控制电路的信号VCIN输入端，快速比较器I1的反相输入端形成能量收集控制电路的信号VM输入端；快速比较器I1的输出端接缓冲器I2的输入端，缓冲器I2的输出端同时接延时生成器I3和I4的输入端；延时生成器I3的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S2输出端；延时生成器I4的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S1输出端；反相器I21的输入端接延时生成器I4的输出端；所述开关信号S4产生电路包括基准电源I5，振荡器I6，迟滞比较器I7，以及一个三输入与非门I8；基准电源I5的输出端接迟滞比较器I7的同相输入端，迟滞比较器I7的反相输入端形成能量收集控制电路的信号VOUT输入端；延时生成器I4的输出端、迟滞比较器I7的输出端和振荡器I6的输出端分别接三输入与非门I8的一个输入端；三输入与非门I8的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S4输出端；所述开关信号S3和S5产生电路包括迟滞比较器I9，延时生成器I14，反相器I11、I15，比较器I10、I12，以及两输入与门I13、I16；比较器I10的同相输入端形成能量收集控制电路的信号VBAT输入端；比较器I10的反相输入端与比较器I12的反相输入端相连后，形成能量收集控制电路的信号V1输入端；比较器I12的同相输入端同时接迟滞比较器I9的反相输入端和迟滞比较器I7的同相输入端；迟滞比较器I9的同相输入端接基准电源I5的输出端；迟滞比较器I9的输出端同时接反相器I11的输入端和比较器I10的控制端；反相器I11的输出端接比较器I12的控制端；迟滞比较器I9的控制端和两输入与门I13的其中一个输入端同时接迟滞比较器I7的输出端；两输入与门I13的另一输入端接反相器I21的输出端；两输入与门I13的输出端接延时生成器I14的输入端，延时生成器I14的输出端同时接快速比较器I1的控制端和反相器I15的输入端；反相器I15的输出端和比较器I12的输出端分别接两输入与门I16的一个输入端；两输入与门I16的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S3输出端；比较器I10的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S5输出端。...

【技术特征摘要】
1.工作模式可重构的能量收集控制电路，其特征是，由开关信号S1和S2产生电路、开关信号S4产生电路、以及开关信号S3和S5产生电路组成；所述开关信号S1和S2产生电路包括快速比较器I1，缓冲器I2，延时生成器I3、I4，以及反相器I21；快速比较器I1的同相输入端形成能量收集控制电路的信号VCIN输入端，快速比较器I1的反相输入端形成能量收集控制电路的信号VM输入端；快速比较器I1的输出端接缓冲器I2的输入端，缓冲器I2的输出端同时接延时生成器I3和I4的输入端；延时生成器I3的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S2输出端；延时生成器I4的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S1输出端；反相器I21的输入端接延时生成器I4的输出端；所述开关信号S4产生电路包括基准电源I5，振荡器I6，迟滞比较器I7，以及一个三输入与非门I8；基准电源I5的输出端接迟滞比较器I7的同相输入端，迟滞比较器I7的反相输入端形成能量收集控制电路的信号VOUT输入端；延时生成器I4的输出端、迟滞比较器I7的输出端和振荡器I6的输出端分别接三输入与非门I8的一个输入端；三输入与非门I8的输出端形成能量收集控制电路的开关信号S4输出端；所述开关信号S3和S5产生电路包括迟滞比较器I9，延时生成器I14，反相器I11、I15，比较器I10、I12，以及两输入与门I13、I16；比较器I10的同相输入端形成能量收集控制电路的信号VBAT输入端；比较器I10的反相输入端与比较器I12的反相输入端相连后，形成能量收集控制电路的信号V1输入端；比较器I12的同相输入端同时接迟滞比较器I9的反相输入端和迟滞比较器I7的同相输入端；迟滞比较器I9的同相输入端接基准电源I5的输出端；迟滞比较器I9的输出端同时接反相器I11的输入端和比较器I10的控制端；反相器I11的输出端接比较器I12的控制端；迟滞比较器I9的控制端和两输入与门I13的其中一个输入端同时接迟滞比较器I7的输出端；两输入与门I13的另一输入端接反相...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐卫林，王桉楠，林思宇，王涛涛，翁浩然，韦保林，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45