CN105656333B - 一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统 - Google Patents

一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统 Download PDF

Info

Publication number
CN105656333B
CN105656333B CN201610044715.6A CN201610044715A CN105656333B CN 105656333 B CN105656333 B CN 105656333B CN 201610044715 A CN201610044715 A CN 201610044715A CN 105656333 B CN105656333 B CN 105656333B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pmos
grid
nmos tube
substrate
source electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610044715.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105656333A (zh
Inventor
刘帘曦
袁文智
沐俊超
涂炜
朱樟明
杨银堂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN201610044715.6A priority Critical patent/CN105656333B/zh
Publication of CN105656333A publication Critical patent/CN105656333A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105656333B publication Critical patent/CN105656333B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/2176—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only comprising a passive stage to generate a rectified sinusoidal voltage and a controlled switching element in series between such stage and the output

Abstract

本发明涉及一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统。一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统，包括两级升压型电荷泵整流器和间歇式功率管理电路。

Description

一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统
技术领域
本发明属于微电子技术领域中的整流器以及功率管理设计技术，特别涉及一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统。
背景技术
传感器、接口电路和功率管理电路构成了无线能量获取技术的关键电路模块。
接口电路最重要的构成部分之一就是ACDC整流电路，而合理的功率管理电路是把收集到的能量有效应用的重要保证。传感器获取的能量以交流信号的形式输出，无法直接为负载供电，因而用各种结构的ACDC整流电路把交流信号转换为稳定的直流输出。然而，一般情况下，虽然ACDC整流电路把交流信号转换为稳定的直流输出，但由于获得的功率不足以提供给下一级有效使用，此时，采用功率管理电路让整个能量积攒到一定量值，才供给下一级，这样可保证能量的有效应用。
鉴于此，如何提高电压转化效率，功率转化效率一直是研究者研究的方向，同时如何设计一种最大程度地获取环境中的能量，如何降低最小的输入电压，增大输入电压范围以及有效的应用获取的集成能量获取系统也是研究者积极探索的方面。
使用在MOS管的栅极加一个稳定的直流电压的静态阈值补偿技术，可使器件处于亚阈值开启状态。如图1所示，NMOS和PMOS管的栅极各加了一个直流电压源偏置。当输入交流信号Vin处于负半周期时，PMOS管截止，NMOS管导通，电流I1给储能电容C1充电，经过多个周期的充电后，C1两端的电压差可以稳定在输入交流信号Vin的峰峰值的一半。当输入电压Vin处于正半周期时，NMOS管截止，PMOS管导通，电流I2给储能电容C2充电，输出直流电压Vout。由此可见，当Va接地时，储能电容C1上的电压值达到了输入信号Vin的峰峰值的一半，因此输出的直流电压Vout等于输入信号Vin的峰峰值Vpp。
这种整流器的不足之处是需要额外的静态直流偏置电路，而且当栅极的静态直流偏置电压过大时，会导致反向漏电流的增加，把储能电容上面的能量泄漏到地，这样会大大降低整流器的整流效率。
使用在全波桥式整流器之前加上并联同步电感电路(Parallel synchronizedswitch harvesting and an inductor，简称P-SSHI)与之形成的整流电路(P-SSHIRectifier)可以整体上提高从能量获取器获取能量的效率。如图2所示，在没有P-SSHI电路结构的情况下，当Ip实际流到输出时，能量获取器上的输出电流需要向内部电容Cp充电或向地放电，这样浪费了大量获取的电荷，限制了获取的能量效率。当P-SSHI电路作用时，当VB<VA<Vrect,SW1闭合，D1断开，SW2与D2都断开，因此没有电流通过P-SSHI电路从A流过B，也没有电流输出，电容Cp被Ip充电；当VA＝Vrect时，D3与D6通路，电流流出；当Ip为零，且即将改变方向时，Cp开始放电，VA减小，D3，D6关闭，。SW1打开，SW2闭合，因此，Cp，SW2，D2，LF形成振荡环路。环路中的LF与Cp，使通过Cp的电压有效翻转，电容中所有的能量最初都转化到电感中，当电压翻转之后，电感中的能量又被充到电容中，由于环路中D2的存在，电流只能从A到SW2，D2，B。这一过程充分利用了获取的能量，提高了获取能量效率。以上的描述中的二极管为理想二极管。
这种整流器的不足之处是：1)所需要的电路很复杂，需要电路检测能量获取器产生的电流极性的改变；2)需要准确的控制开关SW1与SW2的闭合时间；3)需要一个电感，不利于集成。这样就使得此整流器难以自供电，提高的效率有很大一部消耗在电路中。
发明内容
发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明公开了一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统。该系统采用了两级迪克森电荷泵的电路结构，以此得到较高的输出电压；采用基于非平衡偏置比较器的有源二极管代替无源二极管，以此降低整流路径上的电压降，同时解决了基于传统比较器的有源二极管的失配和延时带来的反向漏电的问题；为了降低最小输入电压，采用了两个低电源电压的共栅结构比较器。功率管理电路采用迟滞比较的结构将整流器整流的能量收集到一定程度之后再对后级DCDC电路进行供电，采用间歇式的工作方式，保证整个系统给后级DCDC的输入功率在一个比较稳定合适的值。
技术方案：一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统，包括两级升压型电荷泵整流器和间歇式功率管理电路。
进一步地，所述两级升压型电荷泵整流器包括第一级电荷泵整流电路和第二级电荷泵整流电路，
第一级电荷泵整流电路包括电容C1、电容C2、NMOS管MB1、NMOS管MS1、PMOS管MB2、PMOS管MS2、PMOS管MP1、PMOS管MP2、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和非平衡偏置电流源，
电容C1的一端接输入电压，NMOS管MB1的栅极、NMOS管MB1的衬底和NMOS管MB1的源极都接地，NMOS管MS1的衬底和NMOS管MS1的源极均接地，NMOS管MS1的源极与第一比较器COMP1的同相输入端相连接，第一比较器COMP1的反相输入端与第一内建电压△V1的正极相连接，第一内建电压△V1的负极、NMOS管MB1的漏极、NMOS管MS1的漏极分别接电容C1的另一端，第一比较器COMP1的输出端与NMOS管MS1的栅极相连；第二比较器COMP2的同相输入端分别与PMOS管MS2的源极、PMOS管MP2的漏极、PMOS管MB2的漏极、PMOS管MB2的栅极、非平衡偏置电流源的偏置点相连接，第二比较器COMP2的反相输入端与第二内建电压△V2的负极相连接，第二内建电压△V2的正极与PMOS管MS2的漏极相连接；PMOS管MP1的栅极、PMOS管MS2的栅极分别与第二比较器COMP2的输出端相连，PMOS管MP1的栅极、PMOS管MS2的栅极分别与反相器的输入端相连；PMOS管MP1的衬底分别与PMOS管MS2的衬底、PMOS管MP2的衬底、PMOS管MP2的源极、PMOS管MB2的衬底相连；PMOS管MP1的源极分别与PMOS管MS2的衬底、PMOS管MP2的衬底、PMOS管MP2的源极、PMOS管MB2的衬底相连；反相器的输出端与PMOS管MP2的栅极相连接，反相器的高电位点接PMOS管MB2的源极，反相器的低电位点接地，非平衡偏置电流源的低电位点接地，电容C2的一端接地，电容C2的另一端与PMOS管MB2的源极相连接；
第二级电荷泵整流电路包括NMOS管MB3、NMOS管MS3、PMOS管MB4、PMOS管MS4、PMOS管MP3、PMOS管MP4、电容C4、电容C3、第三比较器COMP3、第四比较器COMP4和非平衡偏置电流源，
NMOS管MB3的栅极、NMOS管MB3的衬底、NMOS管MB3的源极、NMOS管MS3的衬底、NMOS管MS3的源极均与电容C2的非接地端相连，NMOS管MS3的源极与第三比较器COMP3的同相输入端相连接，第三比较器COMP3的反相输入端与第三内建电压△V3的正极相接，第三内建电压△V3的负极、NMOS管MB3的漏极、NMOS管MS3的漏极分别与电容C3的一端相连，第三比较器COMP3的输出端与NMOS管MS3的栅极相连接；第四比较器COMP4的同相输入端与PMOS管MS4的源极、PMOS管MP4的漏极、NMOS管MB4的漏极、NMOS管MB4的栅极、非平衡偏置电流源的偏置点相连接；第四比较器COMP4的反相输入端与第四内建电压△V4的负极相连接，第四内建电压△V4的正极与PMOS管MS4的漏极相接；PMOS管MP3的栅极、PMOS管MS4的栅极分别与第四比较器COMP4的输出端相连，PMOS管MP3的栅极、PMOS管MS4的栅极分别与反相器的输入端相连；PMOS管MP3的衬底与PMOS管MS4的衬底、PMOS管MP4的衬底、PMOS管MP4的源极、PMOS管MB4的衬底相连；PMOS管MP3的源极与PMOS管MS4的衬底、PMOS管MP4的衬底、PMOS管MP4的源极、PMOS管MB4的衬底相连；反相器的输出端与PMOS管MP4的栅极相接，反相器的高电位接PMOS管MB4的源极，反相器的低电位点接地，非平衡偏置电流源的低电位点接地，电容C4一端接地，电容C4的另一端与PMOS管MB4的源极相接。
进一步地，间歇式功率管理电路包括振荡器、计数器、开关S1、开关S2、开关S3、开关SW、开关SW1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、带隙基准电路、偏置电路、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、第四比较器CMP4、RS触发器、与门、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3和负载RL；
开关S1的一端与两级升压型电荷泵整流器的输出电压Vout相连接，开关S1的另一端与电阻R1相接，电阻R1的另一端分别与第二比较器CMP2的同相输入端、开关S2的一端相连接；开关S2的另一端与电阻R2的一端相连接；电阻R2的另一端与第三比较器的CMP3的反相输入端、电阻R3的一端相连接，电阻R3的另一端与开关S3的一端相连接；开关S3的另一端接地；带隙基准电路的输出端分别与第一比较器CMP1同相输入端、第三比较器CMP3的同相输入端、第二比较器CMP2的反相输入端相连接，第一比较器CMP1的反向输出端与偏置电路相连，第二比较器CMP2的输出端与RS触发器的S端相连，第三比较器CMP3的输出端与RS触发器的R端相连，RS触发器的Q端、第一比较器CMP1的输出端分别接于与门的输入端，与门的输出信号端控制开关SW的闭合与断开；开关SW的一端接输出电压Vout，开关SW的另一端与负载RL相接，负载RL的另一端接地，PMOS管M1的栅极分别与PMOS管M1的漏极、PMOS管M2的源极相连接，PMOS管M1的衬底、PMOS管M1的源极均接于输出电压Vout，PMOS管M2的栅极分别与PMOS管M2的漏极、PMOS管M3的源极、第四比较器CMP4的同相输入端相连接，PMOS管M2的衬底接于输出电压Vout，PMOS管M3的栅极与PMOS管M3的漏极均接地，PMOS管M3的衬底接输出电压Vout，第四比较器CMP4的反相输入端接带隙基准电路的输出端，第四比较器CMP4的输出端的输出信号控制开关SW1的闭合与断开。
更进一步地，所述带隙基准电路的输出电压为0.6V。
实现本发明的关键技术为采用了可以倍压的两级电荷泵结构的ACDC整流电路结构，其输出约等于输入电压幅度的四倍，这可以有效降低整流器可工作的最小输入电压且可将低输入电压值泵到一个较高的直流电压；一种迟滞模式的间歇式充放电功率管理电路，用来管理输出电压，形成一种充电-放电-充电的间歇工作模式。这种结构不但可以大大提高输入信号的范围，也可以将输出直流电压稳定在一个可控的范围内，从而提高系统的利用效率和稳定性。
有益效果：本发明公开的一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统具有以下有益效果：
1、两级升压型电荷泵整流器采用了两级迪克森电荷泵电路结构，输入到输出可以高效倍压，提高了其驱动后级负载的能力；
2、两种对称结构源极输入信号的比较器，有效地解决了具体电路中比较器的输入信号幅度和传统比较器不兼容的问题；
3、使比较器正常工作的与电源无关的偏置电路，保证了内建失调电压的精确性，保证了偏置电路所消耗的电流不随电源电压的变化而变化，降低了整流器自身的功耗；
4、间歇式功率管理电路大大提高了输入信号的范围，提高了电路的利用效率与稳定性；
5、带隙基准电路满足微能量获取的前提条件，能工作在低的电源电压下；
6、间歇式检测功耗控制电路若产生一个1/n的脉冲技术信号，就可将该支路的功耗降为原来的1/n,降低了整流系统自身的功耗，提高了转化效率；
7、本发明的过压保护模块电路解决了整流系统可能存在的两种极端情况，使整个电路更为稳定。
附图说明
图1为静态阈值补偿整流器电路图；
图2为基于并联同步开关电感电路整流器的电路框图；
图3为本发明提出的一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统的主体结构图；
图4a是图3中P处的具体电路图；
图4b为图3中Q处的具体电路图；
图5为图3中N处的具体电路图；
图6为图3中C处的带隙基准电路的电路图；
图7为图3中D处的偏置电路的电路图；
图8为图3中B处的振荡器的电路图；
图9为如3中A处的计数器的电路图；
图10a和图10b为本发明提出的非平衡偏置比较器对整流器性能提升对比曲线；
图11a和图11b为本发明提出的集成压电能量获取系统仿真波形；
图12为本发明在系统电路输出仿真波形；
图13为本发明中在不同输入电压下系统电路的功率转化效率图。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式详细说明。
如图3～9所示，一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统，包括两级升压型电荷泵整流器和间歇式功率管理电路。
进一步地，所述两级升压型电荷泵整流器包括第一级电荷泵整流电路和第二级电荷泵整流电路，
第一级电荷泵整流电路包括电容C1、电容C2、NMOS管MB1、NMOS管MS1、PMOS管MB2、PMOS管MS2、PMOS管MP1、PMOS管MP2、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和非平衡偏置电流源，
电容C1的一端接输入电压，NMOS管MB1的栅极、NMOS管MB1的衬底和NMOS管MB1的源极都接地，NMOS管MS1的衬底和NMOS管MS1的源极均接地，NMOS管MS1的源极与第一比较器COMP1的同相输入端相连接，第一比较器COMP1的反相输入端与第一内建电压△V1的正极相连接，第一内建电压△V1的负极、NMOS管MB1的漏极、NMOS管MS1的漏极分别接电容C1的另一端，第一比较器COMP1的输出端与NMOS管MS1的栅极相连；第二比较器COMP2的同相输入端分别与PMOS管MS2的源极、PMOS管MP2的漏极、PMOS管MB2的漏极、PMOS管MB2的栅极、非平衡偏置电流源的偏置点相连接，第二比较器COMP2的反相输入端与第二内建电压△V2的负极相连接，第二内建电压△V2的正极与PMOS管MS2的漏极相连接；PMOS管MP1的栅极、PMOS管MS2的栅极分别与第二比较器COMP2的输出端相连，PMOS管MP1的栅极、PMOS管MS2的栅极分别与反相器的输入端相连；PMOS管MP1的衬底分别与PMOS管MS2的衬底、PMOS管MP2的衬底、PMOS管MP2的源极、PMOS管MB2的衬底相连；PMOS管MP1的源极分别与PMOS管MS2的衬底、PMOS管MP2的衬底、PMOS管MP2的源极、PMOS管MB2的衬底相连；反相器的输出端与PMOS管MP2的栅极相连接，反相器的高电位点接PMOS管MB2的源极，反相器的低电位点接地，非平衡偏置电流源的低电位点接地，电容C2的一端接地，电容C2的另一端与PMOS管MB2的源极相连接；
第二级电荷泵整流电路包括NMOS管MB3、NMOS管MS3、PMOS管MB4、PMOS管MS4、PMOS管MP3、PMOS管MP4、电容C4、电容C3、第三比较器COMP3、第四比较器COMP4和非平衡偏置电流源，
NMOS管MB3的栅极、NMOS管MB3的衬底、NMOS管MB3的源极、NMOS管MS3的衬底、NMOS管MS3的源极均与电容C2的非接地端相连，NMOS管MS3的源极与第三比较器COMP3的同相输入端相连接，第三比较器COMP3的反相输入端与第三内建电压△V3的正极相接，第三内建电压△V3的负极、NMOS管MB3的漏极、NMOS管MS3的漏极分别与电容C3的一端相连，第三比较器COMP3的输出端与NMOS管MS3的栅极相连接；第四比较器COMP4的同相输入端与PMOS管MS4的源极、PMOS管MP4的漏极、NMOS管MB4的漏极、NMOS管MB4的栅极、非平衡偏置电流源的偏置点相连接；第四比较器COMP4的反相输入端与第四内建电压△V4的负极相连接，第四内建电压△V4的正极与PMOS管MS4的漏极相接；PMOS管MP3的栅极、PMOS管MS4的栅极分别与第四比较器COMP4的输出端相连，PMOS管MP3的栅极、PMOS管MS4的栅极分别与反相器的输入端相连；PMOS管MP3的衬底与PMOS管MS4的衬底、PMOS管MP4的衬底、PMOS管MP4的源极、PMOS管MB4的衬底相连；PMOS管MP3的源极与PMOS管MS4的衬底、PMOS管MP4的衬底、PMOS管MP4的源极、PMOS管MB4的衬底相连；反相器的输出端与PMOS管MP4的栅极相接，反相器的高电位接PMOS管MB4的源极，反相器的低电位点接地，非平衡偏置电流源的低电位点接地，电容C4一端接地，电容C4的另一端与PMOS管MB4的源极相接。
进一步地，间歇式功率管理电路包括振荡器、计数器、开关S1、开关S2、开关S3、开关SW、开关SW1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、带隙基准电路、偏置电路、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、第四比较器CMP4、RS触发器、与门、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3和负载RL；
开关S1的一端与两级升压型电荷泵整流器的输出电压Vout相连接，开关S1的另一端与电阻R1相接，电阻R1的另一端分别与第二比较器CMP2的同相输入端、开关S2的一端相连接；开关S2的另一端与电阻R2的一端相连接；电阻R2的另一端与第三比较器的CMP3的反相输入端、电阻R3的一端相连接，电阻R3的另一端与开关S3的一端相连接；开关S3的另一端接地；带隙基准电路的输出端分别与第一比较器CMP1同相输入端、第三比较器CMP3的同相输入端、第二比较器CMP2的反相输入端相连接，第一比较器CMP1的反向输出端与偏置电路相连，第二比较器CMP2的输出端与RS触发器的S端相连，第三比较器CMP3的输出端与RS触发器的R端相连，RS触发器的Q端、第一比较器CMP1的输出端分别接于与门的输入端，与门的输出信号端控制开关SW的闭合与断开；开关SW的一端接输出电压Vout，开关SW的另一端与负载RL相接，负载RL的另一端接地，PMOS管M1的栅极分别与PMOS管M1的漏极、PMOS管M2的源极相连接，PMOS管M1的衬底、PMOS管M1的源极均接于输出电压Vout，PMOS管M2的栅极分别与PMOS管M2的漏极、PMOS管M3的源极、第四比较器CMP4的同相输入端相连接，PMOS管M2的衬底接于输出电压Vout，PMOS管M3的栅极与PMOS管M3的漏极均接地，PMOS管M3的衬底接输出电压Vout，第四比较器CMP4的反相输入端接带隙基准电路的输出端，第四比较器CMP4的输出端的输出信号控制开关SW1的闭合与断开。
更进一步地，所述带隙基准电路的输出电压为0.6V。
如图4a所示，M3、M4、M8、M10均为PMOS管，其各自的衬底与各自的源极相接后又均与输出电压Vout的一端、非平衡电流源ISN1的一端、非平衡电流源ISN2的一端相接；ISN1的另一端与NMOS管M5的漏极相接；ISN3的另一端与NMOS管M6的漏极相接；PMOS管M3的栅极与PMOS管M4的栅极相接，且PMOS管M3的源极与NMOS管M1的漏极相接；PMOS管M4漏极与NMOS管M2的漏极、PMOS管M8的栅极相接；PMOS管M10的栅极与M8的漏极、NMOS管M7的漏极、M9的栅极相接；M10的漏极与NMOS管M9的漏极、输出OUT1相接；下方的M5、M1、M2、M6、M7、M9均为NMOS管，M5的源极、M5的衬底、M1的衬底、M2的衬底、M2的源极、M6的源极、M7的源极、M7的衬底、M9的源极、衬底均与Vin+相连；M1的源极与M6的源极、Vin+相接；M5的栅极、M5的漏极与M1的栅极、M7的栅极接在一起；M2的栅极与M6的栅极、M6的漏极接在一块。
如图4b所示，M15、M13、M14、M16、M18、M20均为PMOS管，M11、M12、M17、M19均为NMOS管；M15、M14、M18、M20的衬底与各自的源极相接后又均与Vin+相接；M13、M16的各自的源极、衬底相接后又与Vin-相接；M15的栅极、M15的漏极与M13的栅极、ISP1的一端相接后与M18的栅极相接；M16的栅极、M16的漏极、M14的栅极与ISP2的一端接在一块；M20的栅极与M19的栅极、M18的栅极、M17的漏极接在一起；M11的栅极、M11的漏极与M12的栅极、M13的漏极接在一起，M14、M12的漏极与M17的栅极接在一起；ISP1、ISP2的另一端，M11、M12、M17、M19的源极与衬底均接到地GND上；M19、M20的漏极与输出OUT2连接。
如图5所示，ML1、M21、ML2、M22、M23、M27、M28均为PMOS管，M24、M25、M26、M29、M30均为NMOS管；ML1、M21、ML2、M22、M23、M27、M28的各自的衬底与源极相接后均与Vout接在一起；ML1，ML2的栅极也接到Vout上；M21、M22、M27、M28的栅极,M23的栅极、漏极接在一起；ML1、M21的漏极与M24的漏极、栅极，M25的栅极接在一块；ML2，M22，M25的漏极与M26、M29、M30的栅极，电容C的一端接在一起；M27、M28的源极与ISN1、ISN2相接；M24的源极与电阻一端相接，电阻R的另一端接地，M24的衬底接地；M25，M26，M29，M30的各自的衬底与源极相接后与地相接，电容C的另一端接地；M29，M30与非平衡偏置电流ISP1、ISP2相接。
如图6所示，低压带隙基准电路有启动电路与核心电路组成；MP1～MP10均为PMOS管，MP6～MP10串联在一起，即MP6的漏极接MP7的源极，类推之；MP6的源极与MP6～MP10的衬底，MP1～MP5的源极与各自的衬底，MN4的漏极均与VDD相接；MP6～MP10的栅极均接到地；MN1～MN4均为NMOS管，MP10的漏极与MN1的漏极、栅极，与MN2的栅极相接；MN1、MN2、MN3的源极与衬底，以及MN4的衬底均接到地；MN2的漏极与MP1的漏极、栅极，MP2的栅极相接；MP2的漏极，MN4的栅极，以及MN3的漏极相接；MN3的栅极，MN4的源极，电阻R1的一端，三极管Q1的发射极，放大器OP的负输入端，以及MP3的漏极相接；R1的另一端，Q2的集电极、基极，Q2的集电极、基极,电阻R3、电阻R4另一端均接地；放大器OP正输入端与MP4的漏极，电阻R2的一端，电阻R3的一端相接；电阻R2的另一端与Q2的发射极相接；放大器的输出端与MP3，MP4，MP5的栅极相接；MP5漏极与电阻R4的一端之间为基准电路的输出Vref。
如图7所示，ML1、M21、ML2、M22、M23均为PMOS管，M24、M25、M26均为NMOS管；ML1、M21、ML2、M22、M23的各自的衬底与源极相接后均与Vout接在一起；ML1，ML2的栅极也接到Vout上；M21、M22的栅极,M23的栅极、漏极接在一起；ML1、M21的漏极与M24的漏极、栅极，M25的栅极接在一块；ML2，M22，M25的漏极与M26的栅极，电容C的一端以及输出VBIAS接在一起；M24的源极与电阻R一端相接，电阻R的另一端接地，M24的衬底接地；M25，M26的各自的衬底与源极相接后与地相接，电容C的另一端接地。
如图8所示，Mb1、Mb3、Mb5、Mb7、Mb9均为PMOS管,Mb2、Mb4、Mb6、Mb8、Mb10均为NMOS管；Mb1、Mb3、Mb5、Mb7、Mb9的各自的衬底与源极相接后接在一块；Mb1的栅极与Mb5的漏极，Mb7的栅极，Mb6的漏极相接；Mb2、Mb4、Mb6、Mb8、Mb10各自的的衬底与源极相接后均接与地；Mb1的漏极与Mb3的栅极和Mb2的漏极相接；Mb5的栅极与Mb4的漏极，Mb3的漏极相接；Mb7、Mb8的漏极与Mb9、Mb10的栅极接与一点，Mb9、Mb10的漏极相接后输出信号；Mb2、Mb4、Mb6、Mb8栅极均接入偏置信号Vb。
如图9所示，六个D触发器和六个反相器构成二分频器，对振荡器输出的时钟脉冲不断分频。
图10a和图10b采用非平衡偏置比较器的整流器的功率转化效率有明显的提升，其效率基本不低于98％；
图11a和图11b为本发明提出的集成压电能量获取系统仿真波形，从图11a和图11b可知一旦输出电压Vout从零开始上升到1.2V左右之后，就能稳定地1.2V-0.8V之间跳变；
图12为本发明在系统电路输出仿真波形，由图12可知，利用间歇式充放电的工作模式，此系统可以给后级提供2.5mA-5.0mA的电流。
图13为本发明中在不同输入电压下系统电路的功率转化效率图；由图13可知，在输入范围0.32V-1.5V内，整体的功率转换效率大于75％，特别是在输入为0.08V,频率为200Hz，此时的功率转换效率达到81％。
上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统，其特征在于，包括两级升压型电荷泵整流器和间歇式功率管理电路；
所述两级升压型电荷泵整流器包括第一级电荷泵整流电路和第二级电荷泵整流电路，
第一级电荷泵整流电路包括电容C1、电容C2、NMOS管MB1、NMOS管MS1、PMOS管MB2、PMOS管MS2、PMOS管MP1、PMOS管MP2、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和非平衡偏置电流源，
电容C1的一端接输入电压，NMOS管MB1的栅极、NMOS管MB1的衬底和NMOS管MB1的源极都接地，NMOS管MS1的衬底和NMOS管MS1的源极均接地，NMOS管MS1的源极与第一比较器COMP1的同相输入端相连接，第一比较器COMP1的反相输入端与第一内建电压△V1的正极相连接，第一内建电压△V1的负极、NMOS管MB1的漏极、NMOS管MS1的漏极分别接电容C1的另一端，第一比较器COMP1的输出端与NMOS管MS1的栅极相连；第二比较器COMP2的同相输入端分别与PMOS管MS2的源极、PMOS管MP2的漏极、PMOS管MB2的漏极、PMOS管MB2的栅极、非平衡偏置电流源的偏置点相连接，第二比较器COMP2的反相输入端与第二内建电压△V2的负极相连接，第二内建电压△V2的正极与PMOS管MS2的漏极相连接；PMOS管MP1的栅极、PMOS管MS2的栅极分别与第二比较器COMP2的输出端相连，PMOS管MP1的栅极、PMOS管MS2的栅极分别与反相器的输入端相连；PMOS管MP1的衬底分别与PMOS管MS2的衬底、PMOS管MP2的衬底、PMOS管MP2的源极、PMOS管MB2的衬底相连；PMOS管MP1的源极分别与PMOS管MS2的衬底、PMOS管MP2的衬底、PMOS管MP2的源极、PMOS管MB2的衬底相连；反相器的输出端与PMOS管MP2的栅极相连接，反相器的高电位点接PMOS管MB2的源极，反相器的低电位点接地，非平衡偏置电流源的低电位点接地，电容C2的一端接地，电容C2的另一端与PMOS管MB2的源极相连接；
第二级电荷泵整流电路包括NMOS管MB3、NMOS管MS3、PMOS管MB4、PMOS管MS4、PMOS管MP3、PMOS管MP4、电容C4、电容C3、第三比较器COMP3、第四比较器COMP4和非平衡偏置电流源，
NMOS管MB3的栅极、NMOS管MB3的衬底、NMOS管MB3的源极、NMOS管MS3的衬底、NMOS管MS3的源极均与电容C2的非接地端相连，NMOS管MS3的源极与第三比较器COMP3的同相输入端相连接，第三比较器COMP3的反相输入端与第三内建电压△V3的正极相接，第三内建电压△V3的负极、NMOS管MB3的漏极、NMOS管MS3的漏极分别与电容C3的一端相连，第三比较器COMP3的输出端与NMOS管MS3的栅极相连接；第四比较器COMP4的同相输入端与PMOS管MS4的源极、PMOS管MP4的漏极、NMOS管MB4的漏极、NMOS管MB4的栅极、非平衡偏置电流源的偏置点相连接；第四比较器COMP4的反相输入端与第四内建电压△V4的负极相连接，第四内建电压△V4的正极与PMOS管MS4的漏极相接；PMOS管MP3的栅极、PMOS管MS4的栅极分别与第四比较器COMP4的输出端相连，PMOS管MP3的栅极、PMOS管MS4的栅极分别与反相器的输入端相连；PMOS管MP3的衬底与PMOS管MS4的衬底、PMOS管MP4的衬底、PMOS管MP4的源极、PMOS管MB4的衬底相连；PMOS管MP3的源极与PMOS管MS4的衬底、PMOS管MP4的衬底、PMOS管MP4的源极、PMOS管MB4的衬底相连；反相器的输出端与PMOS管MP4的栅极相接，反相器的高电位接PMOS管MB4的源极，反相器的低电位点接地，非平衡偏置电流源的低电位点接地，电容C4一端接地，电容C4的另一端与PMOS管MB4的源极相接。
2.根据权利要求1所述的一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统，其特征在于，间歇式功率管理电路包括振荡器、计数器、开关S1、开关S2、开关S3、开关SW、开关SW1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、带隙基准电路、偏置电路、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、第四比较器CMP4、RS触发器、与门、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3和负载RL；
开关S1的一端与两级升压型电荷泵整流器的输出电压Vout相连接，开关S1的另一端与电阻R1相接，电阻R1的另一端分别与第二比较器CMP2的同相输入端、开关S2的一端相连接；开关S2的另一端与电阻R2的一端相连接；电阻R2的另一端与第三比较器的CMP3的反相输入端、电阻R3的一端相连接，电阻R3的另一端与开关S3的一端相连接；开关S3的另一端接地；带隙基准电路的输出端分别与第一比较器CMP1同相输入端、第三比较器CMP3的同相输入端、第二比较器CMP2的反相输入端相连接，第一比较器CMP1的反向输出端与偏置电路相连，第二比较器CMP2的输出端与RS触发器的S端相连，第三比较器CMP3的输出端与RS触发器的R端相连，RS触发器的Q端、第一比较器CMP1的输出端分别接于与门的输入端，与门的输出信号端控制开关SW的闭合与断开；开关SW的一端接输出电压Vout，开关SW的另一端与负载RL相接，负载RL的另一端接地，PMOS管M1的栅极分别与PMOS管M1的漏极、PMOS管M2的源极相连接，PMOS管M1的衬底、PMOS管M1的源极均接于输出电压Vout，PMOS管M2的栅极分别与PMOS管M2的漏极、PMOS管M3的源极、第四比较器CMP4的同相输入端相连接，PMOS管M2的衬底接于输出电压Vout，PMOS管M3的栅极与PMOS管M3的漏极均接地，PMOS管M3的衬底接输出电压Vout，第四比较器CMP4的反相输入端接带隙基准电路的输出端，第四比较器CMP4的输出端的输出信号控制开关SW1的闭合与断开。
3.根据权利要求2所述的一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统，其特征在于，所述带隙基准电路的输出电压为0.6V。
CN201610044715.6A 2016-01-22 2016-01-22 一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统 Active CN105656333B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610044715.6A CN105656333B (zh) 2016-01-22 2016-01-22 一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610044715.6A CN105656333B (zh) 2016-01-22 2016-01-22 一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105656333A CN105656333A (zh) 2016-06-08
CN105656333B true CN105656333B (zh) 2018-04-03

Family

ID=56486423

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610044715.6A Active CN105656333B (zh) 2016-01-22 2016-01-22 一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105656333B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106100293B (zh) * 2016-08-24 2018-10-09 西安电子科技大学 应用于压电整流器的电流检测电路及压电整流器
CN107276399B (zh) * 2017-07-21 2019-07-16 中央军委后勤保障部军需装备研究所 一种用于环境能量采集的接口电路
CN107505488B (zh) * 2017-10-13 2019-10-08 国网湖南省电力公司 用于避雷器大电流放电计数器的雷击浪涌发生器及其控制方法
WO2019161525A1 (zh) * 2018-02-22 2019-08-29 廖淑辉 微小信号检测装置及其检测方法
CN108400704A (zh) * 2018-05-09 2018-08-14 无锡鸿恩泰科技有限公司 升压型dc-dc超低压冷启动电路
WO2021212302A1 (zh) * 2020-04-21 2021-10-28 深圳技术大学 一种具有互补动态衬底偏置的整流电路

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103138568A (zh) * 2011-12-01 2013-06-05 国民技术股份有限公司 整流电路及rfid芯片
CN103280996A (zh) * 2013-06-28 2013-09-04 上海坤锐电子科技有限公司 多电荷泵结构的整流电路
CN103401544A (zh) * 2013-07-03 2013-11-20 西安电子科技大学 用于充电管理芯片外部高压nmos管的驱动电路

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4851903B2 (ja) * 2005-11-08 2012-01-11 株式会社東芝 半導体チャージポンプ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103138568A (zh) * 2011-12-01 2013-06-05 国民技术股份有限公司 整流电路及rfid芯片
CN103280996A (zh) * 2013-06-28 2013-09-04 上海坤锐电子科技有限公司 多电荷泵结构的整流电路
CN103401544A (zh) * 2013-07-03 2013-11-20 西安电子科技大学 用于充电管理芯片外部高压nmos管的驱动电路

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PWM/PFM双模调制的高效率DC/DC开关电源;刘帘曦，等;《固体电子学研究与进展》;20060531;第26卷(第2期);全文 *
Self-Supplied Integrable Active High-efficiency AC-DC Converter for Piezoelectric Energy Scavenging Systems;E.Dallago,etc;《International Symposium on Circuits and Systems，2007.ISCAS 2007》;20070625;第1634页左栏第2段-第1634页右栏倒数第5段，图1-3 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105656333A (zh) 2016-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105656333B (zh) 一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统
CN103795260B (zh) 一种非互补反激有源钳位变换器
CN101572485B (zh) 用于副边同步整流管的智能驱动控制方法及装置
Schaef et al. 20.2 A variable-conversion-ratio 3-phase resonant switched capacitor converter with 85% efficiency at 0.91 W/mm 2 using 1.1 nH PCB-trace inductors
CN107394906A (zh) 一种传感器节点电源管理电路
CN203661377U (zh) 双绕组单级原边反馈的led灯驱动电路
CN105099184B (zh) 一种轻载开关电源芯片
CN103248221B (zh) 降压转换器
CN103516207A (zh) 不连续模式dc/dc转换器的同步整流器定时器
Seeman et al. An ultra-low-power power management IC for wireless sensor nodes
CN107612326B (zh) 一种双向级联式Buck-Boost变换器的软开关调制方法
CN109149788A (zh) 一种射频能量收集系统及控制方法
CN108320762B (zh) 电荷泵驱动电路
CN103412181A (zh) 用于升压型功率因数校正的电感电流过零检测电路
CN111181442B (zh) 一种自适应压电能量收集接口电路
CN207135003U (zh) 有源整流器
CN106026719B (zh) P-sshi有源整流电路及自供电电子设备
CN203951440U (zh) 晶体振荡器
CN109217679A (zh) 一种控制器ic及其应用
CN203465347U (zh) 用于升压型功率因数校正的电感电流过零检测电路
CN101083400A (zh) 用于一电子装置的电源供应装置
CN103683892B (zh) 开关电源及其控制器
CN106787712B (zh) 一种基于电容阵列变换的预调制电容型直流转换器
CN203883674U (zh) 一种轻载开关电源芯片
CN108111031A (zh) 非隔离式的单芯片ac/dc开关电源控制电路

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant