CN108923410B - 用于能量收集的控制器及控制方法和一种能量收集芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于能量收集的控制器及控制方法和一种能量收集芯片，属于电子电路领域。一种用于能量收集的控制器的控制方法，包括步骤：控制器识别负载与能量输入源的状态；负载减小或能量输入源功率增大，PFM控制电路工作，关断PWM控制电路，能量输入源提供能量给负载，多余的能量对电池充电；负载增大或能量输入源功率减小，PWM控制电路工作，关断PFM控制电路，能量输入源和电池同时提供能量给负载。本发明的一种用于能量收集的控制器及控制方法和一种能量收集芯片，可自动根据能量输入源与负载的相对变化情况，高效地利用或存储收集的能量，实现稳定工作在最大功率点并快速响应宽范围负载瞬态变化的控制模式。

Description

用于能量收集的控制器及控制方法和一种能量收集芯片

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，更具体地说，尤其涉及一种用于能量收集的控制器及控制方法和一种能量收集芯片。

背景技术

(1)能量采集源的输出功率较低，而且容易受环境影响，为了使其以最大功率输出往往需要采用最大功率点追踪(MPPT)，其系统跟踪精度与响应速度是设计难点，并且所设计的变换器必须适应宽范围电压输入。

(2)当前用于能量收集的系统结构通常采用单级变换器，通过双路径能量控制方式，在同一变换器上实现能量收集与负载供电，尽可能地提高了能量转换效率，但也导致了系统的总体功耗大，效率损失较大。

而双路径能量转换的研究存在如下设计难点：①能量转换控制方式的设计，需要优化和分配能量转换，并且在实现MPPT的同时稳定负载输出，控制器设计复杂。②负载瞬态特性，目前的文献关注点主要在MPPT与能量分配方式的研究上，对于负载瞬态特性考量欠缺，其响应速度与负载稳定性的设计存在较大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于能量收集的控制器及控制方法和一种能量收集芯片，应用于双路径能量转换的控制，可自动根据能量输入源与负载的相对变化情况，高效地利用或存储收集的能量，实现稳定工作在最大功率点并快速响应宽范围负载瞬态变化的控制模式，最大负载响应为300mA，且能稳定适用于降压或升压的应用的目标。

本发明的技术方案如下：

一方面，一种用于能量收集的控制器的控制方法，包括步骤：

S1、控制器识别负载与能量输入源的状态；

S2、负载减小或能量输入源功率增大，PFM控制电路工作，关断PWM控制电路，能量输入源提供能量给负载，多余的能量对电池充电；负载增大或能量输入源功率减小，PWM控制电路工作，关断PFM控制电路，能量输入源和电池同时提供能量给负载。

一种用于能量收集的控制器，包括PFM控制电路、PWM控制电路以及模式检测与切换模块，所述的PFM控制电路和PWM控制电路的输入端均与负载、能量输入源的反馈信号和参考信号连接，所述的PFM控制电路和PWM控制电路的输出端均与模式检测与切换模块的输入端连接，所述的模式检测与切换模块控制PFM控制电路工作和PWM控制电路工作的连续切换以及控制双路径能量转换。

进一步的，所述的PWM控制电路包括第一PI比例积分器、第二PI比例积分器、第三PI比例积分器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、时钟补偿模块、用于作差的第五比较器和用于取最大值的第六比较器，所述的第三PI比例积分器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行误差比较，第三PI比例积分器的输出信号与第一个PI比例积分器的输出信号连接第五比较器的两个输入端进行作差结果相比较，第三PI比例积分器的输出信号与第五比较器的输出信号连接第六比较器的两个输入端取最大值，第六比较器的输出信号与电流采样值连接第二PI比例积分器的两个输入端，第二PI比例积分器的输出信号连接第三比较器的其中一个输入端和第四比较器其中一个输入端，第三比较器的另一个输入端和第四比较器的另一个输入端分别输入为幅值连续相接的两个三角波信号，所述的第一PI比例积分器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行误差比较，第一PI比例积分器的输出信号与一个三角波信号分别输入第二比较器的两个输入端，所述的控制逻辑与模式切换模块对时钟补偿模块输出占空比信号，时钟补偿模块对三角波信号进行时钟补偿后的输出的三角波与第三PI比例积分器的输出信号分别进入第一比较器的两个输入端，所述的第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器输出的占空比信号均与控制逻辑与模式切换模块连接，控制逻辑与模式切换模块对输入的各个占空比信号进行数字逻辑运算，最终控制逻辑与模式切换模块输出控制信号。

进一步的，所述的PFM控制电路包括第七比较器和第八比较器，所述的第八比较器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行比较，所述的第七比较器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行比较，第七比较器和第八比较器输出的占空比信号均与控制逻辑与模式切换模块连接；所述的控制逻辑与模式切换模块连接有零电流检测模，零电流检测模块能量输入源进行检测且与参考地电压相比较后，对控制逻辑与模式切换模块传输检测信号，最终控制逻辑与模式切换模块输出控制信号。

另一方面，一种应用所述的一种用于能量收集的控制器的控制方法的能量收集芯片，包括PFM控制器、PWM控制器、信号生成器、电流采样模块、零电压检测模块、门级驱动模块和双路径能量转换的系统功率级电路，所述的PFM控制器和PWM控制器均包括控制逻辑模块，所述的系统功率级电路的输入端连接有能量采集器，所述的能量采集器连接有最大功率点追踪模块，最大功率点追踪模块对PFM控制器或PWM控制器输出第二参考信号V_{S_ref}，所述的信号生成器用于产生时钟信号、三角波信号和钳位电压且信号生成器与PFM控制器输入、PWM控制器连接，所述的电流采样模块和零电压检测模块的输入端均与系统功率级电路连接，电流采样模块和零电压检测模块的输出端均与PFM控制器和PWM控制器连接，所述的控制逻辑模块与门级驱动模块连接，门级驱动模块用于控制系统功率级电路工作。

进一步的，所述的系统功率级电路为降压升压六开关结构拓扑，系统功率级电路包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6、第一电容C_S、第二电容C、电感L、负极接地的电池、第一电阻R_f1和第二电阻R_f2，所述的第一电容C_S和第二开关K2的一端均与能量采集器连接，第一电容C_S的另一端与参考地连接，第二开关K2的另一端与第一开关K1、第三开关K3和电感L的一端连接，第三开关K3的另一端与参考地连接，第一开关K1的另一端与电池正极、第六开关K6的一端连接，电感L的另一端与第六开关K6的另一端、第四开关K4的一端、第五开关K5的一端连接，第四开关K4的另一端与参考地连接，第五开关K5的另一端与第二电容C的一端、第一电阻R_f1的一端以及负载连接，第二电容C的另一端与参考地连接，第二电阻R_f2的两端分别与第一电阻R_f1另一端和参考地连接，第二反馈信号V_S为能量采集器与第二开关K2之间的电压，第一反馈信号V_fb为第一电阻R_f1和第二电阻R_f2之间的电压，零电压检测模块和电流采样模块均与第一开关K1和第二开关K2之间的V_X1点连接，所述的门级驱动模块控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5和第六开关K6的导通或关断。

进一步的，所述的PWM控制器包括控制逻辑模块、第一PI比例积分器、第二PI比例积分器、第三PI比例积分器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、时钟补偿模块、用于作差的第五比较器和用于取最大值的第六比较器，所述的第三PI比例积分器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行误差比较，第三PI比例积分器的输出信号与第一个PI比例积分器的输出信号连接第五比较器的两个输入端进行作差结果相比较，第三PI比例积分器的输出信号与第五比较器的输出信号连接第六比较器的两个输入端取最大值，第六比较器的输出信号与电流采样值连接第二PI比例积分器的两个输入端，第二PI比例积分器的输出信号连接第三比较器的其中一个输入端和第四比较器其中一个输入端，第三比较器的另一个输入端和第四比较器的另一个输入端分别输入为幅值连续相接的两个三角波信号，所述的第一PI比例积分器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行误差比较，第一PI比例积分器的输出信号与一个三角波信号分别输入第二比较器的两个输入端，所述的控制逻辑模块对时钟补偿模块输出占空比信号，时钟补偿模块对三角波信号进行时钟补偿后的输出的三角波与第三PI比例积分器的输出信号分别进入第一比较器的两个输入端，所述的第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器输出的占空比信号均与控制逻辑模块连接，控制逻辑模块对输入的各个占空比信号进行数字逻辑运算，控制逻辑模块通过门级驱动模块输出六个开关的控制信号。

进一步的，所述的PFM控制器包括控制逻辑模块、第七比较器、第八比较器、第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和固定常数时间开启模块，所述的第二锁存器的复位端和固定常数时间开启模块均连接有延时脉冲，第一锁存器和第三锁存器的复位端均连接有时钟信号，所述的第八比较器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第二参考信号V_{O_ref}进行比较，第八比较器的输出端连接第三锁存器的置位端，第七比较器的两个输入端输入第一反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行比较，第七比较器的输出端连接第一锁存器的置位端，第一锁存器的输出端连接固定常数时间开启模块的输入端，第二锁存器的置位端与零电流检测模块连接，固定常数时间开启模块、第二锁存器和第三锁存器的输出端均与控制逻辑模块连接，控制逻辑模块通过门级驱动模块输出六个开关的控制信号。

进一步的，所述的固定常数时间开启模块包括第四锁存器、第一延时模块和延时脉冲模块，所述的延时脉冲模块包括第二延时模块、反向器和或非门，所述的第四锁存器的置位端与第一锁存器的输出端连接，第四锁存器的输出端与第一延时模块的一端、第二延时模块的一端、反向器的输入端连接，第一延时模块的另一端与第一锁存器的复位端连接，第二延时模块的另一端和反向器的输出端分别与或非门的两个输入端连接，或非门输出信号K_{2_COT}与控制逻辑模块连接。

进一步的，所述的控制逻辑模块包括模式切换电路，所述的模式切换电路包括第九比较器、第十比较器、第五锁存器、第六锁存器、第一与门、第二与门、延时脉冲生成器和D触发器，延时脉冲生成器的输入端与固定常数时间开启模块的输出端连接，第九比较器的两个输入端分别输入最小电压信号V_{O_MIN}和系统功率级电路的输出电压V_O，第十比较器的两个输入端分别输入最大电压信号V_{O_MAX}和系统功率级电路的输出电压V_O，第九比较器和第十比较器的输出端分别与第五锁存器和第六锁存器的置位端连接，延时脉冲生成器的输出端与第五锁存器和第六锁存器的复位端连接，第五锁存器的反向输出端与初始化信号分别连接第一与门的两个输入端，第一与门的输出端连接D触发器的复位引脚，第六锁存器的输出端连接D触发器的时钟信号输入引脚，D触发器的D引脚接地，D触发器的反向输出端与初始化信号分别连接第二与门的两个输入端，第二与门输出模式切换信号Mode至门级驱动电路。

本发明具有的有益效果为：

本发明的一种用于能量收集的控制器及控制方法，应用于双路径能量转换的控制，即可以在同一级DC-DC变换器上，实现能量采集源-负载和能量采集源-电池-负载的两条路径的能量传输，避免两级转换的效率损失；无论是在降压(Buck)还是升压(Boost)的应用，都能够实现负载电流在几μA至300mA间连续可调，保持能量输入源处于最大功率点(MPP)，自动切换控制模式维持低功耗，高效率地分配能量转换。本发明的一种能量收集芯片的PFM控制器主要是在超轻载模式下工作，采用了固定常数时间开启(Constant OnTime)的方式，尽可能关掉不需要工作的电路模块，进一步提高转换效率；而重载模式是由PWM控制的，通过误差信号与连续的锯齿波比较器，双PI环路补偿控制输入与输出端的功率管开关，工作在连续导通模式(CCM)或不连续导通模式(DCM)模式下；PWM控制器和PFM控制器两者之间的切换主要是取决于负载和能量输入源的大小，通过控制逻辑模块来完成两种模式间的连续切换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种用于能量收集的控制器的示意图；

图2为本发明实施例的一种用于能量收集的控制器的控制示意图；

图3为本发明实施例的一种能量收集芯片的示意图；

图4为PWM控制器的示意图；

图5为PFM控制器的示意图；

图6为固定常数时间开启(COT)模块的结构图；

图7为控制逻辑模块的模式切换电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例

本发明的一种用于能量收集的控制器的控制方法，包括以下步骤：

S1、控制器识别负载与能量输入源的状态；

S2、负载减小或能量输入源功率增大，控制器工作在轻载模式，PFM控制电路工作，并关断PWM控制电路；负载增大或能量输入源功率减小，控制器工作在重载模式，PWM控制电路工作，并关断PFM控制电路；

其中，轻载模式时，能量输入源提供能量给负载，且多余的能量对电池充电，以储存电量；重载模式时，能量输入源和电池同时提供能量给负载，以稳定对负载的输出。能量输入源的功率变化为整体的变化趋势而非能量输入源的误差波动。

参阅图1所示，一种用于能量收集的控制器，包括PFM控制电路、PWM控制电路以及模式检测与切换模块，PFM控制电路和PWM控制电路的输入端均与负载、能量输入源的反馈信号和参考信号连接，PFM控制电路和PWM控制电路的输出端均与模式检测与切换模块的输入端连接，模式检测与切换模块控制PFM控制电路工作和PWM控制电路工作的连续切换以及控制双路径能量转换。

参阅图2所示，连续型控制器连接系统功率级电路，系统功率级电路为降压升压六开关结构拓扑，系统功率级电路包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6、第一电容C_S、第二电容C、电感L、负极接地的电池、第一电阻R_f1和第六电阻R_f2，第一电容C_S和开关K2的一端均与能量采集器连接，第一电容C_S的另一端与参考地连接，第二开关K2的另一端与第一开关K1、第三开关K3和电感L的一端连接，第三开关K3的另一端与参考地连接，第一开关K1的另一端与电池正极、第六开关K6的一端连接，电感L的另一端与第六开关K6的另一端、第四开关K4的一端、第五开关K5的一端连接，第四开关K4的另一端与参考地连接，第五开关K5的另一端与第二电容C的一端、第一电阻R_f1的一端以及负载连接，第二电容C的另一端与参考地连接，第二电阻电阻R_f2的两端分别与第一电阻R_f1另一端和参考地连接，第二反馈信号V_S为能量采集器与第二开关K2之间的电压，第一反馈信号V_fb为第一电阻R_f1和第二电阻R_f2之间的电压，零电压检测模块和电流采样模块均与第一开关K1和第二开关K2之间的V_X1点连接，门级驱动模块控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5和第六开关K6的导通或关断。

PWM控制电路包括第一PI比例积分器、第二PI比例积分器、第三PI比例积分器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、时钟补偿模块、用于作差的第五比较器和用于取最大值的第六比较器，第三PI比例积分器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行误差比较，第三PI比例积分器的输出信号与第一个PI比例积分器的输出信号连接第五比较器的两个输入端进行作差结果相比较，第三PI比例积分器的输出信号与第五比较器的输出信号连接第六比较器的两个输入端取最大值，第六比较器的输出信号与电流采样值连接第二PI比例积分器的两个输入端，第二PI比例积分器的输出信号连接第三比较器的其中一个输入端和第四比较器其中一个输入端，第三比较器的另一个输入端和第四比较器的另一个输入端分别输入为幅值连续相接的两个三角波信号，即第一个三角波信号的峰值等于第二个三角波信号的谷值，以实现自动升降压的连续性，第一PI比例积分器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行误差比较，第一PI比例积分器的输出信号与一个三角波信号分别输入第二比较器的两个输入端，控制逻辑与模式切换模块对时钟补偿模块输出占空比信号，时钟补偿模块对三角波信号进行时钟补偿后的输出的三角波与第三PI比例积分器的输出信号分别进入第一比较器的两个输入端，第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器输出的占空比信号均与控制逻辑与模式切换模块连接，控制逻辑与模式切换模块对输入的各个占空比信号进行数字逻辑运算，最终控制逻辑与模式切换模块输出控制信号。通过与门级驱动模块连接控制功率开关管导通或关闭，实现重载模式下的双路径能量转换。

PFM控制电路包括第七比较器和第八比较器，第八比较器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行比较，第七比较器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行比较，第七比较器和第八比较器输出的占空比信号均与控制逻辑与模式切换模块连接；控制逻辑与模式切换模块连接有零电流检测模，零电流检测模块能量输入源进行检测且与参考地电压相比较后，对控制逻辑与模式切换模块传输检测信号，最终控制逻辑与模式切换模块输出控制信号，通过控制逻辑与模式切换模块的数字逻辑运算获取的相关信号，实现轻载模式下的双路径能量转换的控制。

重载模式下为PWM控制，能量输入源经过一个PI环，获取误差信号，保持工作在最大功率点(MPP)处。负载输出反馈通过PI电流控制环路来稳定负载输出，第三开关K3、第四开关K4通过相接连的锯齿(Ramp)波比较器实现连续的控制和降压-升压(Buck-Boost)的应用。

在控制器开关过程中，即在电感电流不为0时，第三开关K3、第四开关K4只有一个开启。因此可以分成两组，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3与第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6，每个周期第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3或第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6只能开启一组，而且变换器工作的整个状态里，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3或第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6中必须有一组导通。第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3与第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6对应的占空比D1、D2、D3与D4、D5、D6关系如公式(1-1)～(1-4)所示：

D1+D2+D3＝1 (1-1)

D1＝(1-D3)D1′ (1-2)

D2＝(1-D3)D2′ (1-3)

D1′+D2′＝1 (1-4)

同样地可以得到D4,D5,D6之间的关系如公式(1-5)～(1-8)所示：

D4+D5+D6＝1 (1-5)

D5＝(1-D4)D5′ (1-6)

D6＝(1-D4)D6′ (1-7)

D5′+D6′＝1 (1-8)

对于电感电流的控制，即经过PI电流环控制时的电流关系如下：

如果i_S<i_O，则有

i_L＝i_O＝i_S+i_B (1-9)

i_B＝i_O-i_S (1-10)

如果i_S>i_O，则有

i_L＝i_S (1-11)

i_B＝i_S-i_O (1-12)

其中，i_S是能量输入源的电流，i_L是电感电流，i_B是电池电流，i_O是负载输出电流。因此，电池电流i_B的正负号取决于是对电池充电还是放电，电感控制电流I_ref取max{Ioc，Ibc}。

在轻载模式下，变换器的控制方式采用PFM控制器控制，通过比较器实现能量输入源与输出的稳定。为了尽可能提高效率，在第二开关K2开启时，采用固定常数时间开启(Constant On Time)的方式使其每次导通相同的时间，以降低损耗。

参阅图3所示，本发明的一种应用上述一种用于能量收集的控制器的控制方法的能量收集芯片，包括PFM控制器、PWM控制器、信号生成器、电流采样模块、零电压检测模块、门级驱动模块、辅助功能电路模块和双路径能量转换的系统功率级电路，PFM控制器和PWM控制器均包括控制逻辑模块，系统功率级电路的输入端连接有能量采集器，能量采集器连接有最大功率点追踪模块，最大功率点追踪模块对PFM控制器或PWM控制器输出第二参考信号V_{S_ref}，信号生成器用于产生时钟信号、三角波信号和钳位电压且信号生成器与PFM控制器输入、PWM控制器连接，电流采样模块和零电压检测模块的输入端均与系统功率级电路连接，电流采样模块和零电压检测模块的输出端均与PFM控制器和PWM控制器连接，控制逻辑模块与门级驱动模块连接，门级驱动模块用于控制系统功率级电路工作。辅助功能电路模块用于该能量收集芯片的内部供电和线流。

系统功率级电路为降压升压六开关结构拓扑，系统功率级电路包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6、第一电容C_S、第二电容C、电感L、负极接地的电池、第一电阻R_f1和第二电阻R_f2，第一电容C_S和第二开关K2的一端均与能量采集器连接，第一电容C_S的另一端与参考地连接，第二开关K2的另一端与第一开关K1、第三开关K3和电感L的一端连接，第三开关K3的另一端与参考地连接，第一开关K1的另一端与电池正极、第六开关K6的一端连接，电感L的另一端与第六开关K6的另一端、第四开关K4的一端、第五开关K5的一端连接，第四开关K4的另一端与参考地连接，第五开关K5的另一端与第二电容C的一端、第一电阻R_f1的一端以及负载连接，第二电容C的另一端与参考地连接，第二电阻R_f2的两端分别与第一电阻R_f1另一端和参考地连接，第二反馈信号V_S为能量采集器与第二开关K2之间的电压，第一反馈信号V_fb为第一电阻R_f1和第二电阻R_f2之间的电压，零电压检测模块和电流采样模块均与第一开关K1和第二开关K2之间的V_X1点连接，门级驱动模块控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5和第六开关K6的导通或关断。本实施例中，开关均采用功率开关管。

本实施例的一种能量收集芯片，面向无线传感器网络节点的能量收集电源管理芯片的研究，在完成基本应用场景功能需求上，围绕提高效率和瞬态特性，设计并应用一种高性能的能量转换控制器。无论是在降压(Buck)还是升压(Boost)的应用，本发明的一种能量收集芯片都能够实现负载在几μA至300mA间连续可调，保持能量输入源处于最大功率点(MPP)值，自动切换控制模式维持低功耗，高效率地分配能量转换。PFM控制器主要是在超轻载模式下工作，采用了固定常数时间开启(ConstantOn Time)的方式，尽可能关掉不需要工作的电路模块，进一步提高转换效率。而重载模式是由PWM控制的，通过误差信号与连续的锯齿波比较器，双PI环路补偿控制输入与输出端的功率管开关，工作在连续导通模式(CCM)或不连续导通模式(DCM)模式下。PWM控制器和PFM控制器两者之间的切换主要是取决于负载和能量输入源的大小，通过控制逻辑模块来完成两种模式间的连续切换。

信号生成器产生时钟信号和锯齿波信号，并且具有使误差信号电压钳位的功能。最大功率点追踪(MPPT)模块是获取能量采集源的开环电压，并通过开路电压法(FOCV算法)获得近似的最大功率点(MPP)电压，提供给控制器。电流采样电路是在重载时对电感电流的采样，用于电流环路的控制、过流限制等。零电压检测电路用于DCM、PFM模式下的过零电压检测，避免到地的损耗。辅助电路可以提供内部控制器的稳定供电电压1.8V，具有限流启动等功能。

参阅图4所示，PWM控制器包括控制逻辑模块、第一PI比例积分器、第二PI比例积分器、第三PI比例积分器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、时钟补偿模块、用于作差的第五比较器和用于取最大值的第六比较器，第三PI比例积分器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行误差比较，第三PI比例积分器的输出信号与第一个PI比例积分器的输出信号连接第五比较器的两个输入端进行作差结果相比较，第三PI比例积分器的输出信号与第五比较器的输出信号连接第六比较器的两个输入端取最大值，第六比较器的输出信号与电流采样值连接第二PI比例积分器的两个输入端，第二PI比例积分器的输出信号连接第三比较器的其中一个输入端和第四比较器其中一个输入端，第三比较器的另一个输入端和第四比较器的另一个输入端分别输入为幅值连续相接的两个三角波信号，第一PI比例积分器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行误差比较，第一PI比例积分器的输出信号与一个三角波信号分别输入第二比较器的两个输入端，控制逻辑模块对时钟补偿模块输出占空比信号，时钟补偿模块对三角波信号进行时钟补偿后的输出的三角波与第三PI比例积分器的输出信号分别进入第一比较器的两个输入端，第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器输出的占空比信号均与控制逻辑模块连接，控制逻辑模块对输入的各个占空比信号进行数字逻辑运算，控制逻辑模块通过门级驱动模块输出六个开关的控制信号，即控制功率开关管，完成重载模式下的双路径能量转换。

如果PWM控制器针对升压(Boost)应用，电感电流过零时，则同时导通第一开关K1、第六开关K6，如果PWM控制器针对降压(Buck)应用，电感电流过零时，则同时导通第三开关K3、第四开关K4。

参阅图5所示，PFM控制器包括控制逻辑模块、第七比较器、第八比较器、第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和固定常数时间开启模块，第二锁存器的复位端和固定常数时间开启模块均连接有延时脉冲，第一锁存器和第三锁存器的复位端均连接有时钟信号，第八比较器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第二参考信号V_{O_ref}进行比较，第八比较器的输出端连接第三锁存器的置位端，第七比较器的两个输入端输入第一反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行比较，第七比较器的输出端连接第一锁存器的置位端，第一锁存器的输出端连接固定常数时间开启模块的输入端，第二锁存器的置位端与零电流检测模块连接，固定常数时间开启模块、第二锁存器和第三锁存器的输出端均与控制逻辑模块连接，控制逻辑模块通过门级驱动模块输出六个开关的控制信号。

系统功率级电路的输入输出各连接一个比较器形成反馈环路，调整功率管的开关。当能量输入源大于MPP值时，第二开关K2以固定常数时间导通后，电感充电，第三开关K3或者第四开关K4起电压平衡的作用。第五开关K5的关断与导通取决于负载情况，也就是负载反馈回来的第八比较器，第五开关K5关断时，多余能量灌入电池。

参阅图6所示，固定常数时间开启模块包括第四锁存器、第一延时模块和延时脉冲模块，延时脉冲模块包括第二延时模块、反向器和或非门，第四锁存器的置位端与第一锁存器的输出端连接，第四锁存器的输出端与第一延时模块的一端、第二延时模块的一端、反向器的输入端连接，第一延时模块的另一端与第一锁存器的复位端连接，第二延时模块的另一端和反向器的输出端分别与或非门的两个输入端连接，或非门输出信号K_{2_COT}与控制逻辑模块连接。

固定常数时间开启模块(COT)的设计是采用延时的锁存器和延时模块实现功率管每次固定导通相同的时间，且锁存器延时复位的时间是每次导通的最小间距。

参阅图7所示，控制逻辑模块包括模式切换电路，模式切换电路包括第九比较器、第十比较器、第五锁存器、第六锁存器、第一与门、第二与门、延时脉冲生成器和D触发器，延时脉冲生成器的输入端与固定常数时间开启模块的输出端连接，第九比较器的两个输入端分别输入最小电压信号V_{O_MIN}和系统功率级电路的输出电压V_O，第十比较器的两个输入端分别输入最大电压信号V_{O_MAX}和系统功率级电路的输出电压V_O，第九比较器和第十比较器的输出端分别与第五锁存器和第六锁存器的置位端连接，延时脉冲生成器的输出端与第五锁存器和第六锁存器的复位端连接，第五锁存器的反向输出端与初始化信号分别连接第一与门的两个输入端，第一与门的输出端连接D触发器的复位引脚，第六锁存器的输出端连接D触发器的时钟信号输入引脚，D触发器的D引脚接地，D触发器的反向输出端与初始化信号分别连接第二与门的两个输入端，第二与门输出模式切换信号Mode至门级驱动电路。

Mode信号为模式切换信号，当Mode＝1时，为重载模式，即PWM控制模式；当Mode＝0时，为轻载模式，即PFM控制模式。启动时，会初始化，保持轻载模式启动，避免电压过冲等情况。当负载突然加大时，V_O<V_{O_MIN}，复位信号变为0，Mode切换为1；当负载突然变轻时，V_O>V_{O_MAX}，时钟信号输入端Clk端口接收到上升沿脉冲，Mode切换为0，从而完成模式切换。V_{O_MIN}<V_O<V_{O_MAX}，能量输入源和负载的大小相对稳定，不进行模式切换，减小输出电压V_O的误差对模式切换的影响，以提高电路的稳定性。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以对此用于能量收集的控制器及控制方法和一种能量收集芯片做出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.一种用于能量收集的控制器的控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1、控制器识别负载与能量输入源的状态；

S2、负载减小或能量输入源功率增大，PFM控制电路工作，关断PWM控制电路，能量输入源提供能量给负载，多余的能量对电池充电；负载增大或能量输入源功率减小，PWM控制电路工作，关断PFM控制电路，能量输入源和电池同时提供能量给负载；

步骤S2中根据负载和能量输入源的反馈信号生成占空比信号，对占空比信号进行运算，根据运算结果，控制逻辑产生六个开关的控制信号，从而控制系统功率级电路工作；

所述的PWM控制电路包括第一PI比例积分器、第二PI比例积分器、第三PI比例积分器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、时钟补偿模块、用于作差的第五比较器和用于取最大值的第六比较器，所述的第三PI比例积分器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行误差比较，第三PI比例积分器的输出信号与第一个PI比例积分器的输出信号连接第五比较器的两个输入端进行作差结果相比较，第三PI比例积分器的输出信号与第五比较器的输出信号连接第六比较器的两个输入端取最大值，第六比较器的输出信号与电流采样值连接第二PI比例积分器的两个输入端，第二PI比例积分器的输出信号连接第三比较器的其中一个输入端和第四比较器其中一个输入端，第三比较器的另一个输入端和第四比较器的另一个输入端分别输入为幅值连续相接的两个三角波信号，所述的第一PI比例积分器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行误差比较，第一PI比例积分器的输出信号与一个三角波信号分别输入第二比较器的两个输入端，所述的控制逻辑与模式切换模块对时钟补偿模块输出占空比信号，时钟补偿模块对三角波信号进行时钟补偿后的输出的三角波与第三PI比例积分器的输出信号分别进入第一比较器的两个输入端，所述的第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器输出的占空比信号均与控制逻辑与模式切换模块连接，控制逻辑与模式切换模块对输入的各个占空比信号进行数字逻辑运算，最终控制逻辑与模式切换模块输出控制信号。

2.一种用于能量收集的控制器，其特征在于，包括PFM控制电路、PWM控制电路以及模式检测与切换模块，所述的PFM控制电路和PWM控制电路的输入端均与负载、能量输入源的反馈信号和参考信号连接，所述的PFM控制电路和PWM控制电路的输出端均与模式检测与切换模块的输入端连接，所述的模式检测与切换模块控制PFM控制电路工作和PWM控制电路工作的连续切换以及控制双路径能量转换；所述的PWM控制电路包括第一PI比例积分器、第二PI比例积分器、第三PI比例积分器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、时钟补偿模块、用于作差的第五比较器和用于取最大值的第六比较器，所述的第三PI比例积分器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行误差比较，第三PI比例积分器的输出信号与第一个PI比例积分器的输出信号连接第五比较器的两个输入端进行作差结果相比较，第三PI比例积分器的输出信号与第五比较器的输出信号连接第六比较器的两个输入端取最大值，第六比较器的输出信号与电流采样值连接第二PI比例积分器的两个输入端，第二PI比例积分器的输出信号连接第三比较器的其中一个输入端和第四比较器其中一个输入端，第三比较器的另一个输入端和第四比较器的另一个输入端分别输入为幅值连续相接的两个三角波信号，所述的第一PI比例积分器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行误差比较，第一PI比例积分器的输出信号与一个三角波信号分别输入第二比较器的两个输入端，所述的控制逻辑与模式切换模块对时钟补偿模块输出占空比信号，时钟补偿模块对三角波信号进行时钟补偿后的输出的三角波与第三PI比例积分器的输出信号分别进入第一比较器的两个输入端，所述的第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器输出的占空比信号均与控制逻辑与模式切换模块连接，控制逻辑与模式切换模块对输入的各个占空比信号进行数字逻辑运算，最终控制逻辑与模式切换模块输出控制信号。

3.根据权利要求2所述的一种用于能量收集的控制器，其特征在于，所述的PFM控制电路包括第七比较器和第八比较器，所述的第八比较器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行比较，所述的第七比较器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行比较，第七比较器和第八比较器输出的占空比信号均与控制逻辑与模式切换模块连接；所述的控制逻辑与模式切换模块连接有零电流检测模，零电流检测模块能量输入源进行检测且与参考地电压相比较后，对控制逻辑与模式切换模块传输检测信号，最终控制逻辑与模式切换模块输出控制信号。

4.一种应用权利要求1所述的一种用于能量收集的控制器的控制方法的能量收集芯片，其特征在于，包括PFM控制器、PWM控制器、信号生成器、电流采样模块、零电压检测模块、门级驱动模块和双路径能量转换的系统功率级电路，所述的PFM控制器和PWM控制器均包括控制逻辑模块，所述的系统功率级电路的输入端连接有能量采集器，所述的能量采集器连接有最大功率点追踪模块，最大功率点追踪模块对PFM控制器或PWM控制器输出第二参考信号V_{S_ref}，所述的信号生成器用于产生时钟信号、三角波信号和钳位电压且信号生成器与PFM控制器输入、PWM控制器连接，所述的电流采样模块和零电压检测模块的输入端均与系统功率级电路连接，电流采样模块和零电压检测模块的输出端均与PFM控制器和PWM控制器连接，所述的控制逻辑模块与门级驱动模块连接，门级驱动模块用于控制系统功率级电路工作；所述的PWM控制器包括控制逻辑模块、第一PI比例积分器、第二PI比例积分器、第三PI比例积分器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、时钟补偿模块、用于作差的第五比较器和用于取最大值的第六比较器，所述的第三PI比例积分器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第一参考信号V_{O_ref}进行误差比较，第三PI比例积分器的输出信号与第一个PI比例积分器的输出信号连接第五比较器的两个输入端进行作差结果相比较，第三PI比例积分器的输出信号与第五比较器的输出信号连接第六比较器的两个输入端取最大值，第六比较器的输出信号与电流采样值连接第二PI比例积分器的两个输入端，第二PI比例积分器的输出信号连接第三比较器的其中一个输入端和第四比较器其中一个输入端，第三比较器的另一个输入端和第四比较器的另一个输入端分别输入为幅值连续相接的两个三角波信号，所述的第一PI比例积分器的两个输入端输入第二反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行误差比较，第一PI比例积分器的输出信号与一个三角波信号分别输入第二比较器的两个输入端，所述的控制逻辑模块对时钟补偿模块输出占空比信号，时钟补偿模块对三角波信号进行时钟补偿后的输出的三角波与第三PI比例积分器的输出信号分别进入第一比较器的两个输入端，所述的第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器输出的占空比信号均与控制逻辑模块连接，控制逻辑模块对输入的各个占空比信号进行数字逻辑运算，控制逻辑模块通过门级驱动模块输出六个开关的控制信号。

5.根据权利要求4所述的一种能量收集芯片，其特征在于，所述的系统功率级电路为降压升压六开关结构拓扑，系统功率级电路包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6、第一电容C_S、第二电容C、电感L、负极接地的电池、第一电阻R_f1和第二电阻R_f2，所述的第一电容C_S和第二开关K2的一端均与能量采集器连接，第一电容C_S的另一端与参考地连接，第二开关K2的另一端与第一开关K1、第三开关K3和电感L的一端连接，第三开关K3的另一端与参考地连接，第一开关K1的另一端与电池正极、第六开关K6的一端连接，电感L的另一端与第六开关K6的另一端、第四开关K4的一端、第五开关K5的一端连接，第四开关K4的另一端与参考地连接，第五开关K5的另一端与第二电容C的一端、第一电阻R_f1的一端以及负载连接，第二电容C的另一端与参考地连接，第二电阻R_f2的两端分别与第一电阻R_f1另一端和参考地连接，第二反馈信号V_S为能量采集器与第二开关K2之间的电压，第一反馈信号V_fb为第一电阻R_f1和第二电阻R_f2之间的电压，零电压检测模块和电流采样模块均与第一开关K1和第二开关K2之间的V_X1点连接，所述的门级驱动模块控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5和第六开关K6的导通或关断。

6.根据权利要求5所述的一种能量收集芯片，其特征在于，所述的PFM控制器包括控制逻辑模块、第七比较器、第八比较器、第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和固定常数时间开启模块，所述的第二锁存器的复位端和固定常数时间开启模块均连接有延时脉冲，第一锁存器和第三锁存器的复位端均连接有时钟信号，所述的第八比较器的两个输入端输入第一反馈信号V_fb和第二参考信号V_{O_ref}进行比较，第八比较器的输出端连接第三锁存器的置位端，第七比较器的两个输入端输入第一反馈信号V_S与第二参考信号V_{S_ref}进行比较，第七比较器的输出端连接第一锁存器的置位端，第一锁存器的输出端连接固定常数时间开启模块的输入端，第二锁存器的置位端与零电流检测模块连接，固定常数时间开启模块、第二锁存器和第三锁存器的输出端均与控制逻辑模块连接，控制逻辑模块通过门级驱动模块输出六个开关的控制信号。

7.根据权利要求6所述的一种能量收集芯片，其特征在于，所述的固定常数时间开启模块包括第四锁存器、第一延时模块和延时脉冲模块，所述的延时脉冲模块包括第二延时模块、反向器和或非门，所述的第四锁存器的置位端与第一锁存器的输出端连接，第四锁存器的输出端与第一延时模块的一端、第二延时模块的一端、反向器的输入端连接，第一延时模块的另一端与第一锁存器的复位端连接，第二延时模块的另一端和反向器的输出端分别与或非门的两个输入端连接，或非门输出信号K_{2_COT}与控制逻辑模块连接。

8.根据权利要求4所述的一种能量收集芯片，其特征在于，所述的控制逻辑模块包括模式切换电路，所述的模式切换电路包括第九比较器、第十比较器、第五锁存器、第六锁存器、第一与门、第二与门、延时脉冲生成器和D触发器，延时脉冲生成器的输入端与固定常数时间开启模块的输出端连接，第九比较器的两个输入端分别输入最小电压信号V_{O_MIN}和系统功率级电路的输出电压V_O，第十比较器的两个输入端分别输入最大电压信号V_{O_MAX}和系统功率级电路的输出电压V_O，第九比较器和第十比较器的输出端分别与第五锁存器和第六锁存器的置位端连接，延时脉冲生成器的输出端与第五锁存器和第六锁存器的复位端连接，第五锁存器的反向输出端与初始化信号分别连接第一与门的两个输入端，第一与门的输出端连接D触发器的复位引脚，第六锁存器的输出端连接D触发器的时钟信号输入引脚，D触发器的D引脚接地，D触发器的反向输出端与初始化信号分别连接第二与门的两个输入端，第二与门输出模式切换信号Mode至门级驱动电路。