CN104320124A - 一种用于热电能量收集的自供电式接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，包括功率级转换模块、mV级电压振荡器、启动管、输出电压采样模块、基准源、比较器、控制模块、驱动模块、整形模块，本发明通过mV级电压振荡器产生启动电路所需频率信号，通过启动管与电感和功率管MP寄生的二极管共同实现启动功能，比较器将比较结果输出给控制模块，控制模块根据该结果调节整形模块输出方波信号的占空比并调节每个周期P型功率管MP和N型功率管MN的导通时间；驱动模块将该方波信号的驱动能力提升后，控制功率管MP和功率管MN的通断实现能量收集，并将输出电压稳定在一定的范围内，该接口电路能自供电而独立工作。本发明适用于微功耗电子器件与系统。

Description

一种用于热电能量收集的自供电式接口电路

技术领域

本发明涉及一种热电能量收集电路，具体涉及一种用于热电能量收集的自供电式接口电路。

背景技术

科技迅速发展的今天，微功耗电子器件与系统的应用越来越广泛。微功耗技术的发展使得无线传感节点在大型机械设备、高速交通工具、医疗监测等领域大有作为。然而，目前大部分无线传感器采用电池供电，除带来污染外，也增加了维护的困难性，甚至导致监测结果的不准确。从周围自然环境中获取能量实现自供电是解决这一问题的有效方案。自然环境中存在热能、太阳能、机械能等，热能因实时存在、收集方便、无污染等优点被广泛应用，人体与环境温差产生的热能适合为脑电、肌电、心电等医疗监测系统供电。

对于热电能量收集的研究主要集中在：材料、结构和接口电路。材料主要采用Bi₂Te₃；结构主要采用n型和p型半导体交替排列的二维结构；接口电路主要有开关电感型的DC-DC转换器结构和开关电容型的电荷泵结构。其中，开关电感型DC‐DC转换器结构具有转换效率高等优点。

接口电路包括全集成式和带有片外电感、电容的部分集成式。其中，全集成式接口电路具有功耗低、携带方便等优点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，提供一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，能够同时实现自启动和最大能量转换效率、以及自供电，并且实现了单芯片全集成化。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：包括功率级转换模块、mV级电压振荡器、启动管、电压采样模块、基准源、比较器、控制模块、驱动模块、整形模块；

所述的功率级转换模块包括电感L、输出存储电容Csto、P型功率管MP和N型功率管MN；

所述的电感L的一端与热电发生器TEG和mV级电压振荡器的输入端连接，电感L的另一端接启动管Mstart的漏极、N型功率管MN的漏极以及P型功率管MP源极，P型功率管MP的漏极接输出存储电容Csto的一端以及电压采样模块，输出存储电容Csto的另一端接地；

电压采样模块的输出端接与电源相连的比较器的正相输入端，比较器的反相输入端接基准源的输出端，比较器的输出端接控制模块，控制模块的输出端接驱动模块，驱动模块接P型功率管MP和N型功率管MN的栅极，基准源的输入端接接口电路的输出端Vout；

所述的mV级电压振荡器的输出端与启动管Mstart的栅极相连，且mV级电压振荡器的输出端通过整形模块与控制模块相连。

所述的mV级电压振荡器为射频振荡器。

所述的射频振荡器为科耳皮兹振荡器，该科耳皮兹振荡器包括电感L1、电感L2、电容C1、电容C2以及NMOS管Mf，电感L1的一端接热电发生器TEG的输出Vt，并和NMOS管Mf的栅极连接，电感L1的另一端、NMOS管Mf的漏极以及电容C1的一端接启动管Mstart的栅极以及整形模块，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端与电感L2的另一端相连并接地，电感L2的一端接NMOS管Mf的源极，NMOS管Mf的源极接电容C2的一端。

所述的电压采样模块包括相互并联的电容C₃和C₄，电容C₃和C₄的一端通过开关S₂相连，电容C3的一端连接比较器的正极，并通过开关S1与接口电路的输出端Vout相连，电容C₄两端并联有开关S₃。

所述的基准源包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2、第三PNP型三极管Q3以及电阻R1和R2；

其中，第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4的栅极依次连接、源极均接接口电路的输出端Vout，第一PMOS管M1和第二PMOS管M2的漏极分别接第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的漏极，且第一PMOS管M1的栅极、第二PMOS管M2的栅极均接第二NMOS管N2的漏极，第一PMOS管M1的漏极接第一NMOS管N1的栅极及第二NMOS管N2的栅极；

第一NMOS管N1的源极接第一PNP型三极管Q1的发射极，第二NMOS管N2的源极通过电阻R1接第二PNP型三极管Q2的发射极；

第三PMOS管M3的漏极接电阻R2的一端以及比较器的反相输入端，电阻R2的另一端接第三PNP型三极管Q3的发射极，且第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2以及第三PNP型三极管Q3的基极及集电极均接地。

所述的比较器包括第五PMOS管M5、第六PMOS管M6、第七PMOS管M7、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5以及第六NMOS管N6；

其中，第五PMOS管M5、第六PMOS管M6及第七PMOS管M7的源极均接接口电路的输出端Vout，栅极依次连接，且第五PMOS管M5、第六PMOS管M6的栅极均接第三NMOS管N3的漏极，第五PMOS管M5的漏极接第三NMOS管N3的漏极，第六PMOS管M6的漏极分别接第五NMOS管N5的漏极和第六NMOS管N6的栅极，第三NMOS管N3和第五NMOS管N5的栅极分别接电压采样模块的输出端和基准源的输出端；第三NMOS管N3和第五NMOS管N5的源极均接第四NMOS管N4的漏极，第四NMOS管N4的源极与第六NMOS管N6的源极均接地，第六NMOS管N6的漏极、第七PMOS管M7的漏极均与控制模块相连。

所述的驱动模块由尺寸逐级放大的缓冲器链组成。

所述的电感L为nH级电感，输出存储电容为pF级的电容，实现了单片全集成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过mV级电压振荡器产生启动电路所需频率的时钟信号；时钟信号通过启动管Mstart、电感L和P型功率管MP寄生的二极管共同实现启动功能，比较器将基准电压和电压采样模块输出电压的比较结果输出给控制模块，控制模块根据比较器的输出调节整形模块输出的方波信号的占空比；驱动模块将该方波信号的驱动能力提升后，调节每个周期P型功率管MP和N型功率管MN的导通时间，实现能量收集，并将输出电压稳定在一定的范围内。该接口电路能够实现自供电而独立工作。本发明十分适合应用于微功耗电子器件与系统，如为脑电图、肌电图、心电图等医疗监测系统供电。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明启动工作时的等效电路图，图中虚线表示不工作部分，实线表示工作部分；

图3为本发明的mV级电压振荡器图；

图4为本发明的输出电压采样模块图；

图5为本发明的基准源图；

图6为本发明的比较器图；

图7为本发明的驱动模块图；

图8为本发明的整形模块功能示意图；

图9为本发明中控制模块的可调占空比脉冲信号示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明：

参见图1，本发明的一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，包括功率级转换模块、mV级电压振荡器、启动管、电压采样模块、基准源、比较器、控制模块、驱动模块、整形模块。mV级电压振荡器用于产生电路所需时钟信号，该时钟信号在电路启动后，用来控制P型功率管MP和N型功率管MN的通断以实现热电能量收集；功率级转换模块中的nH级的电感L和P型功率管MP寄生的二极管及启动管Mstart共同实现启动功能；整形模块将mV级电压振荡器产生的正弦信号转变为方波信号；电压采样模块采样接口电路的输出电压、并输出反馈电压；基准源用于产生接口电路内部所需电压和电流；比较器用于比较反馈电压和基准电压；控制模块根据比较器的输出调节功率级中功率管在每个周期的导通时间；驱动模块用于提高功率管控制信号的驱动能力。其中，功率级转换模块包括nH级的电感L、pF级的输出存储电容、P型功率管MP和N型功率管MN；nH级的电感L的一端与热电发生器TEG和mV级电压振荡器的输入端连接，另一端接启动管的漏极、N型功率管MN的漏极以及P型功率管MP的源极，P型功率管MP的漏极接pF级输出存储电容Csto的一端以及电压采样模块，pF级输出存储电容Csto的另一端接地；

电压采样模块的输出端接与比较器的正相输入端，比较器的反相输入端接基准源的输出端，比较器的输出端接控制模块，控制模块的输出端接驱动模块，驱动模块接P型功率管MP和N型功率管MN的栅极；mV级电压振荡器的输出端与启动管的栅极以及通过整形模块与控制模块相连，基准源的输入端接接口电路的输出端Vout；

其中，mV电压振荡器是射频振荡器，如科耳皮兹振荡器(但不局限于科耳皮兹振荡器)，采用nH级电感和pF级电容。为实现最大效率转换，系统时钟频率满足：

$f=\frac{R_T}{8L}$

其中，R_T为热电能量收集器的内阻，L为功率级转换模块中的电感。

进一步地，R_T约为5-12Ω，L为nH级，所以实现最大效率转换的系统时钟频率为百MHz级，恰好在射频振荡器的输出范围内。通过调节mV电压振荡器的电感和电容，可使振荡器的输出频率等于接口电路实现最大转换效率所需的时钟频率。

启动管与功率级转换模块中的电感L、P型功率管MP寄生的二极管共同实现启动功能。整形模块将振荡器产生的正弦信号转换为方波信号。本发明通过mV级电压振荡器产生的时钟信号来控制P型功率管MP和N型功率管MN的交替导通实现热电能量收集，控制模块根据比较器的输出信号产生相应的脉冲宽度以调节每个周期功率级转换模块中功率管导通时间。

参见图2，本发明在启动工作时的等效电路图；包括mV级电压振荡器、启动管、功率级转换模块中的nH级电感L、pF级输出存储电容以及功率管MP寄生的二极管。nH级电感L的一端与热电发生器TEG和mV级电压振荡器的输入端连接，另一端接启动管的漏极、功率管MP寄生的二极管以及pF级输出存储电容的一端，pF级输出存储电容的另一端接地，启动管的源极接地。图中虚线表示不工作部分，实现表示工作部分。

进一步地，转换工作时所有电路均工作，如图1。转换工作时启动管并联到N型功率管MN，相当于略微增大了N型功率管MN的尺寸。

参见图3，mV级电压振荡器采用射频振荡器，该射频振荡器为科耳皮兹振荡器但不局限于科耳皮兹振荡器，该科耳皮兹振荡器包括电感L1、电感L2、电容C1、电容C2以及NMOS管Mf，电感L1的一端接热电发生器TEG的输出Vt，并和NMOS管的栅端连接，电感L1的另一端、NMOS管的漏端以及电容C1的一端均与启动管的栅极以及控制模块连接，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端与电感L2的另一端相连并接地，电感L2的一端接NMOS管mf的源端，NMOS管的源端接电容C2的一端。

参见图4，为本发明的电压采样模块，该电压采样模块包括相互并联的电容C3和C4，电容C3和C4的一端通过开关S2相连，电容C3的一端连接比较器的正极，并通过开关S1与电压采样模块的输出端相连，电容C4两端并联有开关S3。

参见图5，为本发明的基准源，基准源包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2、第三PNP型三极管Q3以及电阻R1和R2；

其中，第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4的栅极依次连接、源极均接接口电路的输出端Vout，第一PMOS管M1和第二PMOS管M2的漏极分别接第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的漏极，且第一PMOS管M1的栅极、第二PMOS管M2的栅极均接第二NMOS管N2的漏极，第一PMOS管M1的漏极接第一NMOS管N1的栅极及第二NMOS管N2的栅极；

第一NMOS管N1的源极接第一PNP型三极管Q1的发射极，第二NMOS管N2的源极通过电阻R1接第二PNP型三极管Q2的发射极；

第三PMOS管M3的漏极接电阻R2的一端以及比较器的反相输入端，电阻R2的另一端接第三PNP型三极管Q3的发射极，且第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2以及第三PNP型三极管Q3的基极及集电极均接地。

通过合理设计电路中R2和R1的比例关系，可以将ΔVBE(第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2的VBE的差)的温度正相关特性和VBE(第三PNP型三极管Q3的VBE)的温度负相关特性抵消，进而产生与温度和电源电压无关的基准电压Vref。同时，该电路也产生具有正温度系数的基准电流Iref。

参见图6，本发明的比较器采用二级结构，由第五PMOS管M5、第六PMOS管M6、第七PMOS管M7、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5以及第六NMOS管N6组成；

其中，第五PMOS管M5、第六PMOS管M6及第七PMOS管M7的源极均接接口电路的输出端Vout，栅极依次连接，且第五PMOS管M5、第六PMOS管M6的栅极均接第三NMOS管N3的漏极，第五PMOS管M5的漏极接第三NMOS管N3的漏极，第六PMOS管M6的漏极分别接第五NMOS管N5的漏极和第六NMOS管N6的栅极，第三NMOS管N3和第五NMOS管N5的栅极分别接电压采样模块的输出端和基准源的输出端；第三NMOS管N3和第五NMOS管N5的源极均接第四NMOS管N4的漏极，第四NMOS管N4的源极与第六NMOS管N6的源极均接地，第六NMOS管N6的漏极、第七PMOS管M7的漏极均与控制模块相连。

第一级采用第三NMOS管N3和第五NMOS管N5作为差分输入，第一级的输出连接到第二级的输入，即第六NMOS管N6的栅端。第四NMOS管N4是尾电流源，第五PMOS管M5、第六PMOS管M6及第七PMOS管M7构成电流镜。比较器对输出电压采样值Vfb与电压基准Vref比较，得到调节占空比的控制信号。

参见图7，驱动模块由一系列尺寸逐级增大的缓冲器buffer组成，用于提高脉冲信号的驱动能力，以控制功率管MP和MN的导通与关断，将能量存储到电容Csto。

参见图8和图9，其中实线表示整形前，虚线表示整形后，整形模块将振荡器产生的正弦信号整形为同频率的方波信号，如图8所示。该方波的占空比为50％，方波的高电平与正弦信号的峰值相等，方波的低电平为0。

根据比较器的输出信号，控制模块调节整形模块输出的方波信号的占空比，如图9所示。进一步，驱动模块将该方波信号的驱动能力提升后，控制功率管MP和MN的通断实现能量收集，并将输出电压稳定在一定的范围内。

Claims (8)

1.一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，其特征在于：包括功率级转换模块、mV级电压振荡器、启动管、电压采样模块、基准源、比较器、控制模块、驱动模块、整形模块；

所述的功率级转换模块包括电感L、输出存储电容Csto、P型功率管MP和N型功率管MN；

所述的电感L的一端与热电发生器TEG和mV级电压振荡器的输入端连接，电感L的另一端接启动管Mstart的漏极、N型功率管MN的漏极以及P型功率管MP源极，P型功率管MP的漏极接输出存储电容Csto的一端以及电压采样模块，输出存储电容Csto的另一端接地；

电压采样模块的输出端接与电源相连的比较器的正相输入端，比较器的反相输入端接基准源的输出端，比较器的输出端接控制模块，控制模块的输出端接驱动模块，驱动模块接P型功率管MP和N型功率管MN的栅极，基准源的输入端接接口电路的输出端Vout；

所述的mV级电压振荡器的输出端与启动管Mstart的栅极相连，且mV级电压振荡器的输出端通过整形模块与控制模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，其特征在于：所述的mV级电压振荡器为射频振荡器。

3.根据权利要求2所述的一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，其特征在于：所述的射频振荡器为科耳皮兹振荡器，该科耳皮兹振荡器包括电感L1、电感L2、电容C1、电容C2以及NMOS管Mf，电感L1的一端接热电发生器TEG的输出端Vt，并和NMOS管Mf的栅极连接，电感L1的另一端、NMOS管Mf的漏极以及电容C1的一端接启动管Mstart的栅极以及整形模块，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端与电感L2的另一端相连并接地，电感L2的一端接NMOS管Mf的源极，NMOS管Mf的源极接电容C2的一端。

4.根据权利要求1所述的一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，其特征在于：所述的电压采样模块包括相互并联的电容C₃和C₄，电容C₃和C₄的一端通过开关S₂相连，电容C₃的一端连接比较器的正极，并通过开关S₁与接口电路的输出端Vout相连，电容C₄两端并联有开关S₃。

5.根据权利要求1所述的一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，其特征在于：所述的基准源包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2、第三PNP型三极管Q3以及电阻R1和R2；

其中，第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4的栅极依次连接、源极均接接口电路的输出端Vout，第一PMOS管M1和第二PMOS管M2的漏极分别接第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的漏极，且第一PMOS管M1的栅极、第二PMOS管M2的栅极均接第二NMOS管N2的漏极，第一PMOS管M1的漏极接第一NMOS管N1的栅极及第二NMOS管N2的栅极；

第一NMOS管N1的源极接第一PNP型三极管Q1的发射极，第二NMOS管N2的源极通过电阻R1接第二PNP型三极管Q2的发射极；

第三PMOS管M3的漏极接电阻R2的一端以及比较器的反相输入端，电阻R2的另一端接第三PNP型三极管Q3的发射极，且第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2以及第三PNP型三极管Q3的基极及集电极均接地。

6.根据权利要求1所述的一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，其特征在于：所述的比较器包括第五PMOS管M5、第六PMOS管M6、第七PMOS管M7、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5以及第六NMOS管N6；

其中，第五PMOS管M5、第六PMOS管M6及第七PMOS管M7的源极均接接口电路的输出端Vout，栅极依次连接，且第五PMOS管M5、第六PMOS管M6的栅极均接第三NMOS管N3的漏极，第五PMOS管M5的漏极接第三NMOS管N3的漏极，第六PMOS管M6的漏极分别接第五NMOS管N5的漏极和第六NMOS管N6的栅极，第三NMOS管N3和第五NMOS管N5的栅极分别接电压采样模块的输出端和基准源的输出端；第三NMOS管N3和第五NMOS管N5的源极均接第四NMOS管N4的漏极，第四NMOS管N4的源极与第六NMOS管N6的源极均接地，第六NMOS管N6的漏极、第七PMOS管M7的漏极均与控制模块相连。

7.根据权利要求1所述的一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，其特征在于：所述的驱动模块由尺寸逐级放大的缓冲器链组成。

8.根据权利要求1所述的一种用于热电能量收集的自供电式接口电路，其特征在于：所述的电感L为nH级电感，输出存储电容为pF级的电容。