四模式的Boost/Buck可重构能量回收电路制造技术

一种四模式的Boost/Buck可重构能量回收电路，包括多个开关管、功率电感、温差发电片、振荡器、电荷泵、存储电容、最大功率点跟踪电路、零电流检测电路、第一电压检测器、第二电压检测器、多个比较器、RS触发器和模式控制模块。本发明专利技术在异步信号触发四种模式间切换；在能量源能量充足的情况下从供给模式转换为存储模式，增加整体的传输功率，在能量源不充足的情况下，配置成提取模式，存储电容对负载电压供电，即使在能量不充足的情况下将温差发电片TEG联合存储电容一起为负载供电，这样既保证了负载电压的稳定性，同时提高了整体的能量提取效率，实现负载的稳定供给，同时提高最大功率点追踪精度，实现能源的充分采集。实现能源的充分采集。实现能源的充分采集。

【技术实现步骤摘要】
四模式的Boost/Buck可重构能量回收电路


[0001]本专利技术属于集成电路
，具体涉及一种具有存储、供给、提取、循环四模式的Boost/Buck可重构能量回收电路。

技术介绍

[0002]热能采集器(TEG)是利用柔性生物传感器附着在皮肤表面与环境之间的温差发电，所以它非常适合为柔性生物传感器提供连续、环境、稳定的补充电源。其主要特点是是热能收割机与温差成正比，系数为25mV/℃。因此热能量回收电路应能在超低电压下实现启动和工作，并将数十毫伏的电压转换为1V左右的电压源，为传感器核心电路提供供电源。但是温差随环境变化，导致TEG输出电压不断缓慢变化，严重影响热能回收电路的转换效率。
[0003]传统的热能回收电路大部分都是基于TEG提供的功率“刚刚够用"的情况下，此时最大功率点跟踪(MPPT)和零电流开关(ZCS)都是提高转换效率的有效技术。然而实际上TEG的功率随着实时温度的变化而变化，当TEG提供的功率低于或超过需求，仅仅采用MPPT和ZCS是不够的，需要在能量充足时，将多余的能量提取存储起来，在能量欠缺时，及时利用存储的能量进行补充，以保证负载的正常运行。为了实现该目标，国内外学者也对能量回收与管理电路进行了进一步的研究。Y.K.Ramadass等人(Y.K.Ramadass andA.P.Chandrakasan,“A battery
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less thermoelectric energy harvesting interface circuit with 35mV startup voltage,”IEEE J.Solid
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State Circuits,vol.46,no.1,pp.333
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341,Jan.2011)采用级联式结构，第一级采用Boost电路升压至2.4V，将能量存储在储能单元里，第二级使用Buck降压电路进行输出电压调节。这种结构增加了片外元件数量并且整体效率被限制在较低的水平。P.Cao等人(P.Cao,Y.Qian,P.Xue,D.Lu,J.He,and Z.Hong,“Abipolar
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input thermoelectric energy
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harvesting interface with boost/flyback hybrid converter and on
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chip cold starter,”IEEE J.Solid
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State Circuits,vol.54,no.12,pp.3362
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3374,Dec.2019)提出一种单模式双输出(SIDO)结构，输出被分为存储电压和负载电压，然而当输入功率P
IN
小于输出功率P
OUT
时，由于存储电容直接连接至负载电压，会导致负载电压不受控制。D.El
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Damak等人(D.El
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Damak and A.P.Chandrakasan,"A 10nW
–
1μW Power Management IC With Integrated Battery Management and Self
‑
Startup for Energy Harvesting Applications,"in IEEE Journal of Solid
‑
State Circuits,vol.51,no.4,pp.943
‑
954,April 2016)提出了一种Buck/Boost结构，当输入功率P
IN
大于P
OUT
时，Boost模式工作，但需要手动控制选择为电池充电还是为负载充电。当P
IN
<P
OUT
时，Buck模式工作，但此时停止从能量源收集能量，这样会导致能量提取效率下降。目前的大部分能量回收电路即使采用Buck/Boost结构来增加能量回收的最大功率，但当P
IN
<P
OUT
时，Buck模式工作，但此时停止从能量源收集能量，而这样仍然会导致能量回收的不充分，能量提取效率下降。另外通常这样结构的电路都需要额外的电源来给驱动电路供电，无法实现真正的自供电。

技术实现思路

[0004]针对上述传统的热能采集与管理电路能量提取不充分和能量传递效率低的问题，本专利技术采用基于LC振荡器的启动方案实现自启动的基础上，在P
IN
>P
OUT
时，采用单模式双输出(SIDO)结构，输出被分为存储电压V
STORE
和负载电压V
LOAD
，并实现自主控制Boost使得存储电压V
STORE
和负载电压V
LOAD
电压升高，同时在P
IN
<P
OUT
时，采用Buck模式，使用存储电容C
store
供电的同时继续从能量源收集能量，以提高能量提取效率，只有当温差发电片无法再输出功率的情况下，才停止从温差发电片收集能量，从而改善了在温差发电片输出功率不足时能量回收不充分的问题。
[0005]本专利技术提出的四种模式的具体工作逻辑如下：
[0006]启动阶段完成后，在温差发电片TEG提供的功率“刚刚够用"的情况下，负载电压V
LOAD
在目标范围[V
L
,V
H
]内，此时系统配置为Boost转换器，工作在供给模式；随着环境温度逐渐升高，温差发电片表面温差增加，TEG所提供的功率P
IN
>P
OUT
，如果V
LOAD
>V
H
，则系统转换为存储模式，Boost转换器给C
store
充电，使得存储电压不断升高，存储模式一直持续直到V
LOAD
<V
M
后再设置为供给模式。如果环境温度降低，温差发电片表面温差减小，TEG所系统的功率P
IN
<P
OUT
,检测到V
LOAD
<V
L
后,配置为Buck变换器，若V
OTEG
<V
OL
处于回收模式，此时仅仅利用存储电容C
store
为负载电压V
LOAD
供电，若此时温差发电片的开路电压V
OTEG
>V
OL
则工作在提取模式，此时将温差发电片TEG联合存储电容一起为负载供电，这样既保证了负载电压的稳定性，同时提高了整体的能量提取效率，实现负载的稳定供给，同时提高最大功率点追踪精本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四模式的Boost/Buck可重构能量回收电路，其特征在于，包括：开关管S1、第一至第九开关管(M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7,M8,M9)、功率电感、温差发电片、Copitts振荡器、Dickson电荷泵、存储电容C
store
、最大功率点跟踪电路MPPT、振荡器OSC、零电流检测电路ZCS、第一电压检测器、第二电压检测器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、RS触发器和模式控制模块；所述第一开关管的一端连接所述功率电感的一端、第二开关管的一端、第三功率管的一端和第七开关管的一端，另一端连接负载电压；所述第一开关管的另一端接地；所述第三开关管的另一端连接存储电压V
STORE
，存储电容C
store
的一端和第四开关管的一端；所述第四开关管的另一端连接功率电感的另一端、第六开关管和第五开关管的一端；所述第五开关管的另一端接地；所述第六开关管的另一端连接温差发电片的输出和第八开关管的一端；所述第七开关管的另一端连接Dickson电荷泵的输出；所述第八开关管的另一端连接存储电容C
store
的另一端和第九开关管的一端；所述第九开关管的另一端接地；所述开关管S1一端连接负载电压，另一端接地；所述Copitts振荡器的另一端输出连接所述Dickson电荷泵的输入，一起作为整体电路的启动电路，为系统提供启动电压。所述第一电压检测器连接Dickson电荷泵的输出，输出信号连接Copitts振荡器的输入，Dickson电荷泵仅仅使用Copitts振荡器产生的单时钟信号即可使得输出V
DD
电位抬升，当V
DD
的电位达到1.1V，所述第一电压检测器产生是使能信号OFF_OSC,所述的Copitts振荡器停止工作，同时所述四模式的Boost/Buck可重构能量回收电路开始工作，电荷泵输出V
DD
为控制模块供电，所述第二检测器的输入连接负载电压，输出控制连接开关管S1栅极；所述最大功率点跟踪电路MPPT输入连接温差发电片的输出，输出连接振荡器OSC的输入；所述的振荡器OSC根据MPPT的输出控制信号来提供转换器系统工作频率下的时钟信号。2.根据权利要求1所述的四模式的Boost/Buck可重构能量回收电路，其特征在于，当温差发电片提供一定的功率，即负载电压V
LOAD
在目标范围[V
L
,V
H
]内，则配置为Boost转换器，工作在供给模式；当温差发电片提供的功率P
IN
>P
OUT
，即负载电压V
LOAD
>V
H
，则配置工作模式为存储模式，Boost转换器给存储电容C
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵阳，邹梦丽，连勇，王国兴，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：