多源能量收集电源管理电路的研究与设计.pdf

摘要

无线传感器、可穿戴电子设备、物联网设备由环境能量供电时无需频繁更换电池，降低

了成本，因此环境能量收集技术成为了国内外研究的热点。单源能量收集系统应用场合有限，

而多源能量收集系统能很好克服这一缺陷。电源管理系统能把来自换能器的不均匀能量通过

存储到电池中转化为稳定电压为负载供电实现系统的长时间运行。本文基于0.6μmHVCMOS

工艺设计了一种可以同时对压电、光电进行高效收集的多源能量收集电源管理芯片。

本文设计的多源能量收集电源管理芯片主要分为光电全局最大功率追踪电路、压电接口

电路与DC-DC转换器三个部分。为了减少阴影对太阳能板收集光能的影响，光电全局最大功

率追踪电路采用了定时扫描法进行最大功率追踪。该全局最大功率追踪电路通过脉冲积分法

对不同光电输入电压下的输入功率进行比较，提高了光电最大功率追踪精度。仿真结果表明，

在P-V曲线存在多个极值点时仍能实现对光电的最大功率追踪并且最大功率追踪电路最高追

踪精度能达到99.9%。

压电接口电路采用了能高效收集压电能量的电容同步开关结构将能量源输入的交流电转

为直流电。为提高其电容电压翻转效率，所设计的压电接口电路改进了开关阵列将翻转电容

接在输入源与地之间，减少开关数量，降低了每次电压翻转时对开关的驱动损耗，并且通过

电压选择电路将输入源中的较低电压接地防止开关误导通。所设计的压电接口电路中峰值检

测电路的检测结果不仅用于控制电容电压翻转，还用于控制替换二极管的开关实现能量源对

负载的充电，降低电路的能量损耗。仿真结果表明，所设计的压电接口电路不仅实现了74%

的电压翻转效率，而且能在开路电压最低为2.2V的压电输入下实现自启动。

在此基础上，本文设计了一种低静态功耗的高效DC-DC转换器为负载进行供电。该转换

器采用升降压结构，通过将多余电荷存储到电池中动态匹配输入输出功率之间的差异，提高

了能量利用率。同时，该转换器通过调节开关导通时间与开关工作频率扩大了输出功率范围，

在重载下降低开关驱动损耗，在轻载下减小输出纹波并降低传输损耗。并且，该转换器在输

入输出功率较低时能控制电路进入睡眠模式，降低电路的静态功耗，实现系统的长时间运行。

最后，绘制了系统的整体版图并对其进行了后仿真。后仿真结果表明，在正常工作时系

统的静态电流为7.6μA，而输入输出功率较低时系统进入睡眠模式，使静态电流降低为3μA。

同时收集压电和光电能量时系统的能量收集效率最高能达到91.6%。

关键词：电源管理，能量收集，自适应导通时间，最大功率追踪，异步时钟信号控制

Abstract

Thebatteriesdonothavetobereplacedfrequentlyinwirelesssensors,wearableelectronic

devices,andInternetofThings(IoT)devicespoweredbyenvironmentalenergy,reducingthecost

ofthesedevices.Therefore,therehasbeenmuchinterestinenvironmentalenergyharvesting

techniques.Singlesourceenergyharvestingsystemshavelimitedapplications,whilethis

shortcomingcanbeovercomedwellbymulti-sourceenergyharvestingsystems.Theunevenenergy

fromtransducerscanbestoredintoabatteryandconvertedtoastablevoltagetopowertheload

throughthepowermanagementsystemforalongtimeoperationofthesystem.