CN107809173A - 一种动态追踪dc‑dc电源转换器最大效率点电路 - Google Patents

一种动态追踪dc‑dc电源转换器最大效率点电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了无线充电领域内的一种动态追踪DC‑DC电源转换器最大效率点电路，包括连接在非理想电压源输出端的DC‑DC电源转换器，非理想电压源与DC‑DC电源转换器之间设有高阻抗反馈网络，高阻抗反馈网络与DC‑DC电源转换器之间还设有MOS管偏压网络，MOS管偏压网络用以感知不同输入功率下对应的非理想电压源输出电压，并且通过这个感知到的电压来对MOS管的沟道进行调控改变，从而实现不同输入功率下动态改变R6的目的，调整R5/R6比值，跟踪补偿不同输入功率下DC‑DC电源转换器所需要的输入电压。

Description

一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路
技术领域
本发明涉及一种无线能量传输接收电路，特别涉及一种最大效率追踪电路。
背景技术
无线胶囊内窥镜作为新一代医疗器械，在消化道炎症和病变的无痛检测方面表现卓越，能够对内消化系统炎症和癌症的提前监测和预防。目前，无线胶囊内窥镜主要依靠纽扣电池实现对其工作状态下电量供应。但是，传统纽扣电池的功率容量极大限制了胶囊内窥镜在人体消化道长时间稳定工作，限制其在生物医疗领域的进一步发展。
为了解决纽扣电池功率容量低的局限性带来的问题，通常采用基于感应或磁谐振式近场无线能量传输技术实现对无线胶囊内窥镜的工作状态下实时稳定的电量供应；图1是无线胶囊内窥镜无线能量传输接收电路系统框图；接收线圈感应并且捕获到消化道环境中交变磁场，并且通过电磁感应原理转化为交变电场作为整流电路的功率源。该部分交变电场能量通过整流电路后可以转化为直流电压。一般而言，输出电压不稳定不能够直接作为微控制器或者传感器网络的电压供应；通常需要引入DC-DC电源转换器，实现对电压的稳定输出（3.3V电压是常见的微控制器或者传感器的工作电压）。
传统无线能量传输技术依靠Low Dropout Voltage Regulator (LDO)来实现对整流电路输出电压的稳定，但是LDO仅仅考虑对电压进行稳定，所以直流-直流转换效率低，一般作为基于电池电量供应的电路系统，例如手机、电脑等消费电子；为了实现高效率的直流-直流功率的转换，需要采用带有最大效率点追踪的DC-DC电源转换器。例如凌力（LinearTechnology）公司的LTC3129-1 DC/DC升压/降压型转换器，能够实现80%~90%的直流-直流功率转换效率，极大满足无线胶囊内窥镜系统对直流功率转换效率的需求。
本发明主要基于凌力（Linear Technology）公司的芯片LTC3129-1 DC/DC升压/降压型转换器进行的电路设计，同样该电路设计方法适用于所有带有最大效率点追踪的DC-DC电源转换器。图2是通过R5和R6构成的高阻抗电阻网络实现对非理想电压源的最大效率追踪的常见电路示意图。高阻抗反馈电阻网络实现对非理想电压源开路电压信号提取，能够有效调整非理想电压源最佳负载能力（因为对于非理想电压源而言，负载和输出电压存在一一对应关系），并且最终表现在芯片的输入电压和输入电流上，最佳负载情况下的LTC3129-1的输入电压满足，
Vin=1.175V•(1+R5/R6)
通过R5和R6电阻节点电压与LTC3129-1芯片内部参考电压1.175V比较，如果节点电压大于1.175V，芯片内部通过电流控制电路控制流入芯片的电流I2，即调整Vin/I2对应的电阻值，Vin/I2和非理想电压源内阻Rs进行分压，进而非理想电压源的输出电压（也是LTC3129-1芯片的输入电压Vin）随之减小，由于R5和R6串联构成高阻抗，一般MΩ级别，所以流经高阻抗反馈网络的电流极低，电阻损耗可以忽略不计。重复上述反馈过程直到高阻抗反馈电阻网络的节点电压等于LTC3129-1芯片内部的参考电平1.175V，最终实现非理想电压源的最大效率点追踪的目的。
图2中R5和R6构成的高阻抗反馈网络实现对芯片输入电压Vin=1.175V•(1+R5/R6) 的调控，如果电压源开路输出电压发生改变，则不能在所有情况下，简单通过Vin=1.175V•(1+R5/R6)的高阻抗反馈网络实现非理想电压源最大效率点追踪。在无线胶囊内窥镜应用中，基于肖特基二极管的二倍压电路作为如图3所示的非理想电压源，不同输入功率对应着不同的最大效率点输出电压，如图4所示，从图4可以清晰看出，基于肖特基二极管的二倍压电路的最大效率点对应的输出电压随着输入功率增大而逐渐增大，因此采用图2的R5和R6构成的高阻抗反馈分压网络不能够满足大功率输入范围的最大效率点追踪。因此需要通过相应的电路设计实现对不同输入功率情况下的最大效率点跟踪，进而满足无线胶囊内窥镜的系统效率需求，实现胶囊内窥镜无线能量传输系统的效率最大化提取。
发明内容
本发明的目的是提供一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路，解决现有技术中高阻抗反馈分压网络不能够满足大功率输入范围的最大效率点追踪的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路，包括连接在非理想电压源输出端的DC-DC电源转换器，非理想电压源与DC-DC电源转换器之间设有高阻抗反馈网络，所述非理想电压源的输出正极接DC-DC电源转换器电源输入端，非理想电压源的输出负极接地，高阻抗反馈网络的一端接非理想电压源的输出正极，另一端接地，所述高阻抗反馈网络由串联的电阻R5和电阻R6组成，电阻R5和电阻R6之间的节点接DC-DC电源转换器的参考电压点，所述高阻抗反馈网络与DC-DC电源转换器之间还设有MOS管偏压网络，所述MOS管偏压网络用以感知不同输入功率下对应的非理想电压源输出电压，并且通过这个感知到的电压来对MOS管的沟道进行调控改变，从而实现不同输入功率下动态改变R6的目的，调整R5/R6比值，跟踪补偿不同输入功率下DC-DC电源转换器所需要的输入电压。
作为本发明的进一步限定，所述MOS管偏压网络包括一个N沟道MOS管和由串联的电阻Ra、电阻Rb组成的高阻抗分压网络，电阻Ra的一端接非理想电压源的输出正极，另一端接电阻Rb的一端，电阻Rb的另一端接地，所述N沟道MOS管的源极接地，漏极接DC-DC电源转换器的参考电压点，栅极接电阻Ra、电阻Rb之间的电极点。
作为本发明的进一步限定，所述N沟道MOS管栅源极电压满足：
其中，Vin为DC-DC电源转换器的输入电压。
作为本发明的进一步限定，所述电阻Ra和电阻Rb的比例关系为：Ra/Rb=10~20。
作为本发明的进一步限定，所述非理想电压源包括同向串联的两肖特基二极管D1、D2，D1和D2之间的电极点经电容C1接功率源，串联的两肖特基二极管D1、D2输出端接有滤波电容C2。
作为本发明的进一步限定，所述DC-DC电源转换器选用Linear Technology公司的LTC3129-1 DC/DC升压/降压型转换器。
当输入功率增加，Vin增加，需要动态调整R6才能够动态跟踪DC/DC直流功率转化的最大效率点下对应的整流电路的输出电压；本发明通过引入一个N沟道增强型MOS管，通过Ra和Rb高阻抗分压网络提取基于肖特基二极管的二倍压整流电路在不同输入功率情况下的输出电压偏置N沟道增强型MOS管的栅极，控制MOS管的漏、源极沟道开启状态以实现不同的沟道电阻；N沟道增强型MOS管的漏极接R5、R6构成的高阻抗反馈电阻网络的节点，即DC-DC电源转换器的内部1.175V参考电压点，N沟道MOS管源极接地，实现整流电路的最佳射频-直流功率转换效率稳定状态下，N沟道MOS管漏、源极1.175V（整流电路的最佳射频-直流转换效率稳定状态下R5、R6节点电压为1.175V）的偏置电压；同时，为了实现低功率损耗的目的，Ra、Rb串联实现的高阻抗分压电阻网络仅提取LTC3129-1输入端电压信号，即整流电路的输出电压，N沟道增强型MOS管作为压控元件，流经漏、源极沟道的电流极小，能够有效减少功率损耗；在实际电路设计中，Ra和Rb的比例关系需要特别注意，因为实现对高阻R6阻值的调控，所以N沟道增强型MOS管的漏、源极沟道电阻也需要实现能与R6大小匹配的大电阻，并与R6并联实现对高阻抗反馈网络中R5/R6电阻比值的调控。所以通过Ra和Rb串联并且分压提供MOS管栅极弱电压激励，进而实现较大沟道电阻的目的；Ra、Rb根据需要补偿电阻的大小决定，如果需要在相同的整流电路最大效率下的输出电压下Vin实现更大的电阻，需要输出电压信号按照更小的比例来对Vin进行提取，所以，NMOS管的栅源极电压满足，
相比小很多以实现对整流电路输出电压，即DC-DC电源转换器输入电压较小提取，一般应用中高阻抗分压网络中的电阻比值Ra/Rb比例约为10~20。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明能够可实现更大输入功率范围，即具有更大的功率动态范围，适用于复杂肠道环境下胶囊内窥镜的长时间高效率工作。
附图说明
图1为无线胶囊内窥镜无线能量传输接收电路系统框图。
图2为常见非理想电压源的最大效率追踪电路原理图。
图3为基于肖特基二极管的二倍压电路原理图。
图4为不同输入功率条件下扫描负载得到的效率和输出电压关系图。
图5为本发明电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步说明。
如图5所示的一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路，包括连接在非理想电压源输出端的DC-DC电源转换器，非理想电压源与DC-DC电源转换器之间设有高阻抗反馈网络，所述非理想电压源的输出正极接DC-DC电源转换器电源输入端，非理想电压源的输出负极接地，高阻抗反馈网络的一端接非理想电压源的输出正极，另一端接地，所述高阻抗反馈网络由串联的电阻R5和电阻R6组成，电阻R5和电阻R6之间的节点接DC-DC电源转换器的参考电压点，所述高阻抗反馈网络与DC-DC电源转换器之间还设有MOS管偏压网络，所述MOS管偏压网络包括一个N沟道MOS管和由串联的电阻Ra、电阻Rb组成的高阻抗分压网络，电阻Ra的一端接非理想电压源的输出正极，另一端接电阻Rb的一端，电阻Rb的另一端接地，所述N沟道MOS管的源极接地，漏极接DC-DC电源转换器的参考电压点，栅极接电阻Ra、电阻Rb之间的电极点，所述N沟道MOS管栅源极电压满足：
其中，Vin为DC-DC电源转换器的输入电压，所述电阻Ra和电阻Rb的比例关系为：Ra/Rb=10~20，所述非理想电压源包括同向串联的两肖特基二极管D1、D2，D1和D2之间的电极点经电容C1接功率源，串联的两肖特基二极管D1、D2输出端接有滤波电容C2，所述DC-DC电源转换器选用Linear Technology公司的LTC3129-1 DC/DC升压/降压型转换器。
下面结合实现本发明的具体示例对本发明做进一步说明。
步骤1. 考虑到发射线圈内部磁场的不均匀性等因素，计算胶囊稳定工作时需要确定输入整流电路的功率范围，记为P1~Pn（单位为dBm）。并且在P1~Pn输入功率条件下对图3基于肖特基二极管HSMS282P倍压电路扫描负载进行谐波仿真，得到不同输入功率P1~Pn条件下最大效率点对应的输出电压Vin_1~Vin_n；并且通过Vin=1.175V•(1+R5/R6)计算电阻R6/R5比值，即R6/R5=1.175V•(Vin-1.175V)。
步骤2. 测量N沟道MOS管在漏、源极偏置为1.175V条件下，即Vds=1.175V，栅极电压Vgs=0~1.0V，电压步进为0.01V进行扫描，并且测量漏、源极沟道电流，记为Ids，所以对应的漏、源极沟道电阻在稳定状态下可以计算为，
Rds=1.175V/Ids。
步骤3. 合理选择高阻抗分压网络Ra和Rb，使得Vgs=Vin_1•Rb/(Ra+Rb)~Vin_n•Rb/(Ra+Rb)在步骤2中测量栅压电压0~1.0V电压范围内，并且计算出对应的源、漏极沟道电阻Rds_1~Rds_n；同时，合理选择R5和R6’使得在不同的输入电压Vin_1~Vin_n下，通过N沟道增强型MOS管动态调整之后的高阻抗反馈网络的电阻(R6’+Rds)/R5的比值更加接近步骤1计算出的最佳高阻抗反馈网络中电阻R6/R5比值，从而实现了本发明的设计。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路，其特征在于，包括连接在非理想电压源输出端的DC-DC电源转换器，非理想电压源与DC-DC电源转换器之间设有高阻抗反馈网络，所述非理想电压源的输出正极接DC-DC电源转换器电源输入端，非理想电压源的输出负极接地，高阻抗反馈网络的一端接非理想电压源的输出正极，另一端接地，所述高阻抗反馈网络由串联的电阻R5和电阻R6组成，电阻R5和电阻R6之间的节点接DC-DC电源转换器的参考电压点，其特征在于，所述高阻抗反馈网络与DC-DC电源转换器之间还设有MOS管偏压网络，所述MOS管偏压网络用以感知不同输入功率下对应的非理想电压源输出电压，并且通过这个感知到的电压来对MOS管的沟道进行调控改变，从而实现不同输入功率下动态改变R6的目的，调整R5/R6比值，跟踪补偿不同输入功率下DC-DC电源转换器所需要的输入电压。
2.根据权利要求1所述的一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路，其特征在于，所述MOS管偏压网络包括一个N沟道MOS管和由串联的电阻Ra、电阻Rb组成的高阻抗分压网络，电阻Ra的一端接非理想电压源的输出正极，另一端接电阻Rb的一端，电阻Rb的另一端接地，所述N沟道MOS管的源极接地，漏极接DC-DC电源转换器的参考电压点，栅极接电阻Ra、电阻Rb之间的电极点。
3.根据权利要求2所述的一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路，其特征在于，所述N沟道MOS管栅源极电压满足：
其中，Vin为DC-DC电源转换器的输入电压。
4.根据权利要求3所述的一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路，其特征在于，所述电阻Ra和电阻Rb的比例关系为：Ra/Rb=10~20。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路，其特征在于，所述非理想电压源包括同向串联的两肖特基二极管D1、D2，D1和D2之间的电极点经电容C1接功率源，串联的两肖特基二极管D1、D2输出端接有滤波电容C2。
6. 根据权利要求1-4中任一项所述的一种动态追踪DC-DC电源转换器最大效率点电路，其特征在于，所述DC-DC电源转换器选用Linear Technology公司的LTC3129-1 DC/DC升压/降压型转换器。
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