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基于单电感双输入双输出Boost-buck DC-DC的高转换效率能量收集电路.docx
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基于单电感双输入双输出Boost-buck DC-DC的高转换效率能量收集电路.docx
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1. 引言
近些年来随着物联网和可穿戴设备等新兴产业的不断发展,极大地推动了能量收集技
术的进步.采用微弱环境能量来为物联网中的无线传感器网络供电,可达到延长电池使用寿
命或取代电池的目的
[1]
.
环境中微弱能量主要有光伏(PV)、热电(TEG)、压电(PZ)、射频(RF)等,一般在几微
瓦到几十毫瓦之间.为达到对环境能量的有效利用,能量来源的多元化和较高的转换效率成
为目前的研究热点.传统能量收集电路可在输入电压为 20 mV 时工作,静态功耗仅为 25
μW,转换效率达到 75%,但仅是对单个能量源进行能量收集,没有考虑单一能量源供能
不足的问题
[2]
,且电路需要电池辅助才能启动.文献[3]对能量收集中实现了电路多能量源输
入和自启动,但缺少轻、重负载模式的调节, 使得电路转换效率只有 74%.
本文设计了一种应用于物联网的单电感双输入双输出 Boost-buck DC-DC 能量收集电
路.利用整流技术和最大功率追踪技术,不但实现了电路的自启动和较高的输入追踪效率,
还弥补了能量收集电路供能不足和需要电池辅助启动的缺陷;通过在 Boost-buck 结构中实
现自适应死区过零检测(ZCD)和在轻、重负载条件下的非连续导通模式(DCM)和连续导通
模式(CCM)的自主切换,减小了电感上的电流反向泄漏,显著提高电路的整体转换效率.
2. 电路整体结构设计
本文主要针对压电能(PZT)和热电能(TEG)两种能量源进行收集,所设计电路整体结构
如图 1 所示,包括整流电路、最大功率追踪电路(MPPT)、Boost 升压电路、Buck 降压电路
和控制电路.针对热电能(TEG)利用 MPPT 技术经 S
2
控制接通 Boost 升压电路对超级电容
(C
barr
)和负载(R
load
)供电,Buck 降压电路仅在重载状态下从 C
barr
处对负载供能.压电能(P
Z
)经
过整流电路通过开关 S
4
控制为整体电路提供一个稳定的 1.2 V 电源(V
dd
)且同时向 C
barr
充电.
图 1 电路整体结构
下载: 全尺寸图片 幻灯片
电路开始启动时,首先通过 S
4
导通,为整体电路提供电源(V
dd
),其次将多余的能量储
存到超级电容(C
barr
)中.电路正常工作时分为两种工作状态.轻载状态下电路工作在非连续导
通模式(DCM),在初始轻载状态下,S
1
正常工作,S
2
一直导通,S
3
不工作,S
5
不工作,S
6
正常工作,优先向超级电容(C
barr
)处充电.超级电容达到预设电压后,S
6
关闭,S
5
开始工作,
Boost 升压开始为负载供电.当 TEG 不能满足负载正常工作时,S
2
间接性导通,S
3
开始正常
工作,电路进入重载状态,此时 Boost-buck 电路工作在连续导通模式(CCM).如图 2 所示为
系统从轻载到重载状态下部分开关管(S
1
、S
3
、S
5
)的控制时序信号以及电感上电流 i(L),由
图可看出电感电流的变化实现了电路从非连续导通模式(DCM)到连续导通模式(CCM)的自
主转换.
图 2 部分时序信号
下载: 全尺寸图片 幻灯片
3. 整流启动电路设计
3.1 整流启动电路
整流启动设计使得电路无需再引入其他辅助性电路启动,不仅简化电路结构还降低系
统功耗.采用整流电路对压电源(P
Z
)进行整流实现自启动.整流电路等效结构如图 3 所示,电
路初始化阶段,存储在 C
i
中的能量不足以供应有源二极正常工作.电路开始工作由 MOS 管
的寄生二极管(D
nWs
)来保证
[4]
,整流过程近似为寄生二极管和有源二极管共同作用.电路在启
动阶段,仅有较小的电流经过 D
nWs
为 C
i
充电,有源二极管不工作.在 C
i
上电压达到比较器
(COMP
1
)中 MOS 的阈值电压时,比较器(COMP
1
)正常工作控制功率管的导通和关断,有源
二极管代替寄生二极管进行工作,电路正常工作从而达到自启动目的.
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