一种集成化宽频输入高效压电能量获取电路设计

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随着科技水平的不断发展,人们的生活水平不断提高,对可穿戴智能设备以及微小型便携电子设备的需求越来越高,而高效的能量获取及管理是这些设备能够被广泛应用的基础。自然环境中的能量可望成为微小型便携电子设备和可穿戴式智能设备重要的能量来源。振动能量因其存在的广泛性和高能量密度,成为能量获取技术的研究热点和重点。为了提升振动能量获取电路的能量获取效率和转化效率,获取宽频率输入信号的高效振动能量获取电路成为关键。由于压电传感器模型中存在寄生电容和寄生电阻,导致了能量获取效率低下的问题。对于传统的全桥整流器来说,每半个周期电流源就会由正转为负或者相反。当电流源翻转时,会先把上次充在寄生电容中的电荷放掉,然后在进行反向充电。另外,由于二极管的阈值较大,寄生电容上的电荷达到一定量才会向后级放电,这导致大量的电荷被浪费。这样只是单纯的提升整流器的转化效率是不够的,还应该提升能量获取效率。由于能量源的不同,其频率不同,获取宽的频率的能量源的能量是获取更多能量的重要方面。  本研究提出了一种应用于压电的宽频输入高效能量获取电路。整个电路包括宽频高效的能量获取电路,基于开关电容的间歇式能量管理电路,超低静态电流的无片外电容LDO。整流器采用P-SSHI技术来提高整流器从压电传感器中获取功率的效率。使用有源二极管代替传统的二极管来减小其导通压降,从而提高整流器转换效率;通过压电传感器两端的电压变化来控制P-SSHI支路中开关的闭合时间;通过采用零电流输入比较器来改善比较器的非理想效应来提升比较的漏电问题,通过改善比较器性能来提升输入频率的提高;提出的P-SSHI整流器可以实现由自身供电而不需要额外电源,实现了电路的自供电。能量管理电路采用开关电容来分压将整流器输出的能量积攒到一定程度后再对后级的LDO电路供电,采用间歇式的工作方式,保证整个系统给后级电路稳定输出。提出的无电容LDO电路会根据负载大小在两级或三级级联结构之间切换,实现了极低功耗,高稳定性和良好的瞬态响应等特性。基于无线体域网的应用背景,设计了用于提高捕获输入信号频率范围的高效的压电能量获取电路;设计基于同步开关电感电路技术的高效率能量获取整流电路;设计基于高速度、低功耗比较器来拓宽输入信号的频率范围;基于自供电技术,对获取宽频率输入信号与高能量转换效率整流电路的进行合理的折衷;最后论文进行了版图设计,整体版图面积1.1mm×1.1mm,核心部分面积只有0.39mm×0.31mm。论文采用SMIC0.18μm标准CMOS工艺,使用Spectre软件对所提出的整流器进行仿真验证。仿真结果表明,所设计的整流器可以以较高的电压翻转效率,工作在20Hz-5KHz的输入信号频率下。特别是在输入频率为225Hz处,电压翻转效率达到80%以上,所获得的功率为同条件下的全桥整流器的4.5倍之多。所设计的带隙基准电路和无片外电容LDO均实现了低功耗。整个电路间歇的工作在1.8V,功率转化效率达到80%左右。
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