能量采集電路的工作原理

Fig.1(a)是智慧物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點框架原理圖，節(jié)點主要包括能量采集系統(tǒng)、信號處理器、傳感器、收發(fā)機模塊，其中能量采集系統(tǒng)用于把環(huán)境中多種可用能量源，如太陽能、熱能、射頻信號能量、微生物分解化學能、振動能量通過fig1(b)模塊的電源管理模塊進行收集存儲、對智慧傳感器節(jié)點進行供電，使其可以正常的工作。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，未來將會有數(shù)以億計的傳感器節(jié)點分布在我們的生活中用于環(huán)境監(jiān)測、健康、工業(yè)、交通、智能家居、智慧城市等各個領域為我們提供更加安全、舒適、便捷、高效的生活環(huán)境。傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點主要存在三大缺點：一需要電池供電，即使采用低功耗技術用于延長節(jié)點的壽命，但也會存在長期工作帶來電池損耗，導致節(jié)點工作壽命的縮短，無法長期重復利用，帶來較大的傳感器節(jié)點部署成本;二過大的電池將會使節(jié)點增加了節(jié)點的尺寸不便于可穿戴領域的監(jiān)測和使用。三傳統(tǒng)的能量采集電路采用帶有off-Ship 電感的Boost電路用于升壓，提供給節(jié)點不同的電壓，即使采用片上可集成電感技術來實現(xiàn)節(jié)點的集成來說，過大的電感將會增加芯片的面積和制造成本。目前，采用片上電容DC-DC電源轉換管理技術使得能量采集技術，使得電源管理芯片具有可集成、低功耗、尺寸小等優(yōu)點，已經(jīng)成為未來物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的能量之源。

文中提出的能量采集系統(tǒng)架構原理圖如Fig.2所示。圖中通過solar cell采集太陽能作為系統(tǒng)能量輸入，對于太陽能單元模塊的建?？梢钥闯銎鋬茸?a href="http://www.ttokpm.com/tags/rs/" target="_blank">RS隨著光照強度變化不斷變化，為了獲得最大能量采集，基本原理還是將能量采集系統(tǒng)的等效輸入電阻Rcp可以實現(xiàn)與RS匹配來得到最大輸出功率采集。能量采集系統(tǒng)主要包括電流饑餓型振蕩器、輔助振蕩器、x3可變泵電容的電荷泵、滯后調節(jié)器、時域MPPT的有限狀態(tài)機(包括時間轉數(shù)字轉換器)、用于存儲暫時能量采集的緩沖電容。整個系統(tǒng)工作流程如下：啟始時，電流饑餓型振蕩器為輔助振蕩器、輔助振蕩器、x3可變泵電容的電荷泵提供時鐘信號進行升壓，使系統(tǒng)進入正常穩(wěn)定工作狀態(tài)，啟動過程階段滯后控制器的調節(jié)通過和MPPT環(huán)路均不工作。當輸入電壓達到3.3V以后開始進入正常工作模式，兩個穩(wěn)定環(huán)路開始工作。滯后比較器由兩個開關閾值VH和VL，當Vcp電壓高于閾值VH電壓時，慢速滯后控制比較器輸出信號開關Msw打開，使存儲在緩沖電容中的能量提供個負載。能量快速下降，當Vcp電壓低于閾值VL電壓時，此時采用滯后控制器中高速比較器準確輸出控制信號斷開開關Msw，將采集能量源的能量暫時儲存在緩沖電容中，重復以上過程。在系統(tǒng)工作過程中，最大功率點追蹤在Vcp電壓低于閾值VL電壓時比較器準確輸出信號斷開開關Msw之后Vcp電壓充電上升至VH之前。系統(tǒng)時鐘CLK由電流饑餓型振蕩器產(chǎn)生，與此同時主電荷泵時鐘CLK1,2進行2倍頻生成CLKSEN信號提供給FSM進行計數(shù)，其中當滯后調節(jié)器輸出SSW作為有限狀態(tài)機的驅動時鐘，有限狀態(tài)機對CLKSEN進行計數(shù)，當充電到VH的充電時間Tr越長時，計數(shù)器時鐘越大，便實現(xiàn)了時間到數(shù)字的轉換。當充電時間計數(shù)越多時，說明充電時間Tr越慢，輸出功率越小。反之，當充電時間計數(shù)越少時，說明充電時間Tr越快，輸出功率越大。(有公式推導證明)通過時間計數(shù)的多少完成了功率大小的比較。基本上所有電荷泵都可以使用變壓器模型進行建模如圖

圖三電荷泵與PV cell 等效模型

三，我們得出電荷泵的等效SSL輸入電阻與電荷泵的時鐘頻率和泵電容大小的乘積成反比，因此為了實現(xiàn)電阻匹配達到最大功率傳輸，通過修改頻率和電荷泵電容參數(shù)之一便可以達到修改輸入電阻，實現(xiàn)阻抗的匹配。文中為了降低功耗，不采用改變時鐘頻率的方式，而采用電容陣列修改泵電容大小來完成輸入阻抗的改變。MPPT工作開始時，電荷泵電容陣列為最大，如電容數(shù)目為N，也就是此時輸入電阻Rcp的數(shù)值最小時，通過對緩沖電容充電至放電前記錄充電時間計數(shù)器數(shù)值T1，緩沖電容放電，并復位計數(shù)器模塊，開始新一輪充放電過程。接著電荷泵電容陣列數(shù)目減小，電容數(shù)目為N-1，輸入電阻Rcp的數(shù)值增大，通過對緩沖電容充電至放電前記錄充電時間計數(shù)器數(shù)值T2，比較兩個計數(shù)器大小決定是否減少電容數(shù)目，繼續(xù)MPPT過程，直至Tr充電時間最短時，即計數(shù)器數(shù)目最小時，此時功率最大，完成MPPT過程，并鎖定此狀態(tài)。大概過程就是，改變泵電容大小，實現(xiàn)電荷泵輸入電阻的改變，尋找最佳匹配電阻值，通過功率大小體現(xiàn)電阻的匹配程度。功率越大說明匹配性越好，反之電阻匹配性差。那么問題來了，功率大小如何比較呢?文中便采用計數(shù)時間的長短與功率大小的關系，通過計數(shù)器記錄充電時間的長短，完成輸出功率大小比較，最終找到最大的輸出功率。文中采用共用滯后控制器在FSM和調節(jié)路徑，降低了靜態(tài)功耗，另外對于X3電荷泵通過采用新結構，增大柵源電壓和2組非重疊時鐘降低了開關的導通電阻和傳導損耗以及反應電荷傳輸。除此之外，文中的MPPT過程是一個單邊的尋跡過程，將不會出現(xiàn)雙邊MPPT尋找過程中出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，造成最大功率點追蹤的失敗。所有模塊盡量減少使用模擬電路單元，更多使用數(shù)字單元代替，為了降低靜態(tài)功耗，提高功率的轉換效率。