CN104092426A - 一种能量暂存式集成光电微能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量暂存式集成光电微能源系统，属于光电微能源应用领域。本发明系统包括光伏电池、能量暂存器、取样电路、差分控制电路、电压调整电路和基准参考电路。暂存式集成光电微能源系统有两种工作模式：传感器节点工作在休眠状态时，光伏电池输出电能的一部分存储在能量暂存器中，另一部分用于为传感器节点和光电微能源控制电路供电，并通过调整电路稳定传感器工作电压。传感器节点激活状态时，光伏电池和能量暂存器共同为传感器节点和光电微能源控制电路供电，并通过调整电路稳定传感器工作电压。本发明能有效解决光伏电池面积较大和其输出能量利用率低的问题。

Description

一种能量暂存式集成光电微能源系统

技术领域

本发明涉及一种能量暂存式集成光电微能源系统，属于光电微能源应用领域。 

背景技术

随MEMS微器件(传感器节点和微执行器)体积、功耗的减小，为MEMS微系统供电微能源的集成化和微型化成为了必然的要求。然而，传统为MEMS系统供电电源占微系统体积的50％，重量的80％。电源系统是直接影响MEMS系统微型化的主要因素。为此，为MEMS系统供电微电源微型化得到广泛的研究。研究主要集中在两个方面，一方面在于研究高效微能量器件，包括：微光伏电池、微固体锂离子电池等；另一方面在于研究低功耗能量管理系统电路。例如：美国的Bellew等人设计一种为微传感器节点供电的片上集成光电微能源能量管理系统。在该系统中，为提高效率，没有考虑输出电压的稳定控制问题。同时，在光伏电池输出通过控制电路直接为传感器节点供电，属于的直接式光电微能源。在直接式光电微能源中，光伏电池输出功率要求不小于传感器节点工作的峰值功率，通常光伏电池面积较大，直接影响电源的微型化。此外，由于传感器节点长期处于休眠状态，例如：激活状态时间20ms，休眠状态时间15s，光伏电池输出能量利用率较低。 

目前，在片上集成光电微能源系统的研究中，还未见较好解决减小光伏电池面积和系统输出电压稳定的设计。 

发明内容

本发明的目的是为了解决直接式光电微能源中光伏电池面积大、光伏电池输出效率低等问题，提出一种能量暂存式集成光电微能源系统。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

一种能量暂存式集成光电微能源系统，包括光伏电池、能量暂存器、取样电路、差分控制电路、电压调整电路和基准参考电路；其中， 

光伏电池用于将太阳能转换为电能。电容器作为能量暂存器用于存储传感器工作在休眠状态时光伏电池输出能量，并在传感器节点工作在激活状态时为传感器提供电能。 

取样电路用于取出能量暂存器部分输出电压v_sam作为差分电路输入信号。 

基准参考电路用于产生基准参考电压v_ref(2.2V)作为差分电路的另一路输入信号。 

差分控制电路通过对取样电压和基准参考电压差的放大，产生电压调整电路的控制信号v_ref控制调整电路的工作状态。 

电压调整电路根据控制信号v_ref的大小控制调整管集电极-发射极之间的电压v_CE，稳定输出电压v_so，为传感器节点提供稳定的工作电压。 

连接关系如下： 

光伏电池正极与能量暂存器正极相接，并连接到取样电路输入端和电压调整电路三极管集电极相连接； 

取样电路的输出端与差分控制电路的一个输入端相接； 

差分控制电路的输出端与调整电路三极管基极相连接； 

基准参考电路的输出端与差分控制电路的另一个输入端相接； 

调整电路三极管发射极与基准参考电路输入端相连接了； 

光伏电池负极同时与电容器负极、取样电路的接地端、差分控制电路的接地端、基准参考电路的接地端相接。 

本发明电路系统的工作过程如下： 

根据传感器节点的工作状态，暂存式集成光电微能源系统有两种工作模式： 

模式一，传感器节点工作在休眠状态时，光伏电池输出电能的一部分存储在能量暂存器中，另一部分用于为传感器节点和光电微能源控制电路供电，并通过调整电路稳定传感器工作电压。功率分配如下： 

P_tot(t)=P_cc(t)+P_self(t)+P_ssensor(t) 

式中，P_tot(t)为光伏电池输出功率，P_cc(t)为能量暂存器充电功率，P_self(t)为管理电路自身功耗，P_ssensor(t)为传感器节点休眠状态时功耗。 

模式二，传感器节点激活状态时，光伏电池和能量暂存器共同为传感器节点和光电微能源控制电路供电，并通过调整电路稳定传感器工作电压。功率分配为： 

P_tot(t)+P_cd(t)=P_self(t)+P_ssensor(t) 

式中，P_tot(t)为光伏电池输出功率，P_cd(t)为能量暂存器输出功率，P_psensor(t)为传感器节点激活状态功耗，P_self(t)为管理电路自身功耗。 

另外，利用传感器节点工作状态的变化控制能量暂存器的充电和放电过程，保证光伏电池输出功率在最大功率区中。在暂存式集成光电微能源中，电容器作为能量暂存器直接与光伏电池输出端相接，V_s=V_c。能量暂存器在传感器节点休眠状态时充电存储能量；在传感器节点激活状态时放电为传感器节点供电。根据电容器充电、放电特性，在传感器节点休眠状态中，电容器电压升高ΔV_c： 

ΔV_c=(i_C·Δt_c)/C 

式中，C电容器容量，Δt_c休眠状态时间，i_C电容器充电电流。 

在传感器节点激活状态中，电容器与光伏电池为节点供电，电容器电压降低ΔV_cd：ΔV_cd=(i_CD·Δt_cd)/C 

式中，C电容器容量，Δt_cd激活状态时间，i_CD电容器为节点供电电流。 

通过制备合适容量C的电容器，在传感器节点的一个状态变化周期中，保证ΔV_c=ΔV_cd，通过控制光伏电池输出电压V_s的变化范围，使光伏电池具有大的输出功率。 

有益效果 

在该系统中，能量暂存器用于存储传感器节点休眠状态时光伏电池输出能量，并在传感器节点激活状态时与光伏电池并联为节点供电。其能有效解决光伏电池面积较大和其输出能量利用率低的问题。 

附图说明

图1为暂存式集成光电微能源结构； 

图2暂存式光电微能源能量管理电路图； 

图3传感器电压控制过程； 

图4取样电压V_sam变化图； 

图5差分比较电路输出电流i_D1变换图； 

图6差分比较器输出电压V_def变化图； 

图7微能源输出电压V_o变化图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。 

本发明一种暂存式光电微能源系统结构如图1所示，优选实施例暂存式光电微能源能量管理的电路如图2所示，包括： 

光伏电池，能量暂存器，取样电路，差分控制电路，调整电路，基准电路和传感器节点。其中，光伏电池组件等效电流源与二极管的并联，在传感器节点休眠状态时主要为能量暂存器充电，在传感器激活状态时与能量暂存器共同为传感器节点供电。 

二极管主要用于防止光伏电池反方向充电的保护； 

能量暂存器由电容器C构成，在传感器节点休眠状态时用于存储光伏电池输出电能；在传感器节点激活状态时能量暂存器与光伏电池共同为传感器节点供电。 

取样电路由R_s1和R_s2构成； 

差分控制电路由场效应管T₁、T₂、T₃和电阻R₂构成； 

调整电路由R₁和三极管BG₁构成； 

基准参考电压电路由二极管D₁、D₂、D₃和电阻R₃组成； 

传感器节点等效为电阻R_sesor； 

光伏电池的输出端与二极管，即D的正极相接，D的负极与电容器C的一端、取样电路的电阻R_s1一端、电压调整电路三极管BG₁集电极和电阻R₁的一端相接。电阻R_s1的另一端与电阻R_s2的一端和T₁管的栅极相接。电阻R₁的另一端与三极管BG₁的基极、场效应管T₁的漏极和电阻R₂的一端相接。电阻R₂的另一端与三极管BG₁的发射极、电阻R₃的一端、基准电路电阻R₄的一端和传感器电源正极相接。电阻R₃的另一端与场效应管T₂的漏极相接。场效应管T₁的源极与场效应管T₂的源极、场效应管T₃的漏极和栅极相接。电阻R₄的另一端与场效应管T₂的栅极、二极管D₁的正极相连。二极管D₁的负极与二极管D1的正极相连。二极管D₂的负极与二极管D₃的正极相连。光伏电池的负极与电容器C的另一端、取样电阻R₂的另一端、场效应管T₃的源极、二极管D₃的负极和传感器电源负极相连并接地。 

本发明电路系统的工作原理： 

光电微能源系统电路的工作根据传感器节点工作状态的不同分为两种工作模式。 

模式一，传感器节点工作在休眠状态，光伏电池输出经二极管输出为能量暂 存器电容C充电，取样电路输出与光伏电池输出电压变化一致的取样电压V_sam与基准参考电路输出基准电压V_ref(2.2V)分别加到差分控制电路场效应管T₁和T₂的栅极，作为差分控制调整电路的输入电压，经场效应管T₁漏极输出控制电压调整电路三级管BG₁的基极电流，控制三极管BG₁的集电极-发射极电压V_CE，进而达到控制输出到传感器上的电压V_o稳定的目的。差分控制电路与电压调整电路工作原理为，光伏电池输出电压V_s增加时，取样电压V_sam增加，差分控制电路场效应管T₁的输出电流i_D1增加，场效应管T₁的漏极电压V_dif降低，电压调整三极管BG₁基极电流i_B减少，三极管BG₁的增大，由于V_o＝V_s-V_CE，由此，通过调整管集电极-发射极电压V_CE的变化承担光伏电池输出电压的变化，保证传感器节点工作电压V_O的稳定。其控制过程，如图3所示； 

模式二，传感器节点工作在激活状态，能量暂存器电容C放电与光伏电池共同为传感器节点供电。电路管理系统的控制工作原理与模式一相同。 

另外，根据传感器节点休眠与激活状态的时间及功耗，通过制备合适容量电容器C，在传感器节点的一个状态变化周期中，保证电容器的充电电压变化量ΔV_c等于电容器的放电电压变化量ΔV_cd，控制光伏电池输出电压V_s的变化范围，使光伏电池具有大的输出功率。 

按照发明优选实施的电路如图2所示，光伏电池输出电压在4.0V-5.0V之间变化时，微能源取样电压、差分比较器输出电流、差分比较器输出电压和微能源输出电压的变化，如图4、图5、图6和图7所示。 

其中，图4表示取样电路输出电压随光伏电池输出电压变化；图5表示差分比较电路输出一种能量暂存式集成光电微能源系统电流随光伏电池输出电压变化；图6表示差分比较电路输出电压随光伏电池输出电压变化；图7表示光电微能源输出电压随光伏电池输出电压变化。可见，能量管理电路各部分电流、电压变化与理论分析结果基本一致。 

Claims (3)

1.一种能量暂存式集成光电微能源系统，其特征在于：包括光伏电池、能量暂存器、取样电路、差分控制电路、电压调整电路和基准参考电路；其中， 

光伏电池用于将太阳能转换为电能；电容器作为能量暂存器用于存储传感器工作在休眠状态时光伏电池输出能量，并在传感器节点工作在激活状态时为传感器提供电能； 

取样电路用于取出能量暂存器部分输出电压v_sam作为差分电路输入信号； 

基准参考电路用于产生基准参考电压v_ref(2.2V)作为差分电路的另一路输入信号； 

差分控制电路通过对取样电压和基准参考电压差的放大，产生电压调整电路的控制信号v_ref控制调整电路的工作状态； 

电压调整电路根据控制信号v_ref的大小控制调整管集电极-发射极之间的电压v_CE，稳定输出电压v_so，为传感器节点提供稳定的工作电压； 

连接关系如下： 

光伏电池正极与能量暂存器正极相接，并连接到取样电路输入端和电压调整电路三极管集电极相连接； 

取样电路的输出端与差分控制电路的一个输入端相接； 

差分控制电路的输出端与调整电路三极管基极相连接； 

基准参考电路的输出端与差分控制电路的另一个输入端相接； 

调整电路三极管发射极与基准参考电路输入端相连接了； 

光伏电池负极同时与电容器负极、取样电路的接地端、差分控制电路的接地端、基准参考电路的接地端相接。

2.一种能量暂存式集成光电微能源系统，其特征在于： 

根据传感器节点的工作状态，有两种工作模式： 

模式一，传感器节点工作在休眠状态时，光伏电池输出电能的一部分存储在能量暂存器中，另一部分用于为传感器节点和光电微能源控制电路供电，并通过调整电路稳定传感器工作电压； 

模式二，传感器节点激活状态时，光伏电池和能量暂存器共同为传感器节点和光电微能源控制电路供电，并通过调整电路稳定传感器工作电压； 

能量暂存器在传感器节点休眠状态时充电存储能量；在传感器节点激活状态时放电为传感器节点供电。 

3.根据权利要求2所述的一种能量暂存式集成光电微能源系统，其特征还在于： 

根据电容器充电、放电特性，在传感器节点休眠状态中，电容器电压升高ΔV_c： 

ΔV_c=(i_C·Δt_c)/C 

式中，C电容器容量，Δt_c休眠状态时间，i_C电容器充电电流； 

在传感器节点激活状态中，电容器与光伏电池为节点供电，电容器电压降低ΔV_cd：ΔV_cd=(i_CD·Δt_cd)/C，式中，C电容器容量，Δt_cd激活状态时间，i_CD电容器为节点供电电流； 

通过制备合适容量C的电容器，在传感器节点的一个状态变化周期中，保证ΔV_c=ΔV_cd，通过控制光伏电池输出电压V_s的变化范围，使光伏电池具有大的输出功率。