CN109634348A

CN109634348A - 一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路

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Publication number: CN109634348A
Application number: CN201811517848.6A
Authority: CN
Inventors: 徐卫林; 林思宇; 朱昌洪; 韦保林; 段吉海; 李海鸥
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2038-12-12
Also published as: CN109634348B

Abstract

本发明公开一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路，包括上升沿检测器A1‑A2，SR锁存器A3，比较器A4‑A5，开关控制电路A6，缓冲器A7‑A9，功率源P1‑P2，最大功率点电压采样电路A10‑A11，电容Cin1‑Cin2，NMOS管NM1‑NM3，电感L1，PMOS管PM1，以及过零比较器A12。本发明通过同时对两个输入能量源的最大功率点电压进行追踪，减小了控制电路的功耗，并提高了追踪效率，追踪效率最大可以达到99.98％，提高了能量的利用率；自适应延时生成电路，升压电源管理电路能适应具有不同的功率大小的双源输入，在两个能量源的输入功率差距过大时，升压电源管理电路仍能高效的升压，系统验证表明当输入能量源的输入功率分别为5uW和1mW时，电路的能量转换效率最大能达到85.59％。

Description

一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路。

背景技术

能量收集技术的提出使得无线传感器供电模块有可能摆脱对电池的依赖。该技术通过能量转换器将从环境中采集到的以射频电磁波、光、热、震动等形式浪费掉的能量转化为电能并存储起来，为无线传感器节点提供能量，使得系统具有为自身补充能量的能力，从而达到半永久或永久使用的目的。例如，对慢性病患者进行二十四小时连续不间断监护的穿戴式和植入式医疗电子设备而言，若使用普通电池，其储能有限，难以满足便携式医疗设备的能量需求。因此研究人员在进行低功耗电路设计研究的同时，也在不断寻求可替代传统能源的新能源，如光伏电池、热电池、燃料电池等，以保证医疗电子设备，特别是便携式和植入式系统的续航能力。但是能量收集系统的收集效率通常比较低，因此从单一环境能量源中获得的能量毕竟有限，为了提高输入能量的大小和供能系统的稳定性，需要从多个能量源中收集能量。同时需要认识到的是，有些能量收集系统的内阻和输入电压是时变的，例如光伏电池、热电池等新型能源电池，这时更有必要在电路运行中动态调整能量管理电路的输入阻抗，以实现对每个能量源的最大功率跟踪，以最大化利用其产生的能量。鉴于多数传统能量收集系统的能量来源单一、单个能量源提供的能量有限且稳定性不好，而现有的多源能量收集系统则通常针对每一输入能量源单独配置一个最大功率跟踪电路，从而导致控制电路耗能过大，系统的能效较低、能量输入范围较小。

发明内容

本发明所要解决的是现有能量收集系统针对每一输入能量源单独配置一个最大功率跟踪电路，从而导致控制电路耗能过大，系统的能效较低、能量输入范围较小的问题，提供一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路，包括上升沿检测器A1-A2，SR锁存器A3，比较器A4-A5，开关控制电路A6，缓冲器A7-A9，功率源P1-P2，最大功率点电压采样电路A10-A11，电容Cin1-Cin2，NMOS管NM1-NM3，电感L1，PMOS管PM1，以及过零比较器A12；上升沿检测器A1的输入端连接NMOS管NM3的栅极，上升沿检测器A1的输出端连接SR锁存器A3的S输入端；上升沿检测器A2的输入端连接PMOS管PM 1的栅极，上升沿检测器A2的输出端连接SR锁存器A3的R输入端；SR锁存器A3的输出端与开关控制电路A6的SR_Q信号输入端连接；比较器A4的正向输入端与最大功率点电压采样电路A10的Vm1信号输出端连接，比较器A4的反向输入端最大功率点电压采样电路A10的输出端连接，比较器A4的输出端与开关控制电路A6的OV1信号输入端连接；比较器A5的正向输入端与最大功率点电压采样电路A11的Vm1信号输出端连接，比较器A5的反向输入端最大功率点电压采样电路A11的输出端连接，比较器A5的输出端与开关控制电路A6的OV2信号输入端连接；功率源P1的输出端与最大功率点电压采样电路A10的输入端和开关控制电路A6的V1信号输入端连接；最大功率点电压采样电路A10的EN信号输出端与开关控制电路A6的EN信号输入端连接；最大功率点电压采样电路A10的输出端连接NMOS管NM1的漏极和电容Cin1的一端，电容Cin1的另一端接地；功率源P2的输出端与最大功率点电压采样电路A11的输入端和开关控制电路A6的V2信号输入端连接；最大功率点电压采样电路A10的输出端连接NMOS管NM2的漏极和电容Cin2的一端，电容Cin2的另一端接地；NMOS管NM1的栅极与开关控制电路A6的S1_R信号输入端连接，NMOS管NM2的栅极与开关控制电路A6的S2_R信号输入端连接；NMOS管NM1的源极和NMOS管NM2的源极与电感L1的一端连接，电感L1的另一端连接NMOS管NM3的漏极、PMOS管PM 1的源极和过零比较器A12的反向输入端；NMOS管NM3的源极接地；PMOS管PM 1的栅极与过零比较器A12的输出端连接；PMOS管PM 1的漏极和过零比较器A12的正向输入端相连后，与负载连接；开关控制电路A6的S1信号输出端接缓冲器A7的输入端，缓冲器A7的输出端与NMOS管NM1的栅极连接；开关控制电路A6的S2信号输出端接缓冲器A8的输入端，缓冲器A8的输出端与NMOS管NM2的栅极连接；开关控制电路A6的SN信号输出端接缓冲器A9的输入端，缓冲器A9的输出端与PMOS管PM 1的栅极连接。

上述方案中，开关控制电路A6包括检测电路，开关信号S1与S2产生电路，以及开关信号SN产生电路；检测电路进一步包括低阈值反相器I1、I4，反相器I2、I5，二输入与非门I7、I10，三输入与非门I9，下降沿检测器I3、I6，以及上升沿检测器I8；低阈值反相器I1的输入端形成开关控制电路A6的OV1信号输入端，反相器I1的输出端经由反相器I2连接下降沿检测器I3的输入端和二输入与非门I7的一个输入端；低阈值反相器I4的输入端形成开关控制电路A6的OV2信号输入端，反相器I4的输出端经由反相器I5连接下降沿检测器I6的输入端和二输入与非门I7的另一个输入端；二输入与非门I7的输出端连接上升沿检测器I8的使能端；下降沿检测器I3的使能端、下降沿检测器I6的使能端和下降沿检测器I8的输入端相连后，形成开关控制电路A6的SR_Q信号输入端；下降沿检测器I3的输出端、下降沿检测器I6的输出端和下降沿检测器I8的输出端各与三输入与非门I9的一个输入端连接，三输入与非门I9的输出端连接二输入与非门I10的一个输入端，二输入与非门I10的另一个输入端形成开关控制电路A6的EN信号输入端；开关信号S1与S2产生电路进一步包括D触发器I11、I15，反相器I12-I14、I16、I19，异或门I17，二输入与非门I18，以及无交叠信号产生电路I20；D触发器I11的触发输入端与低阈值反相器I1的输入端连接，D触发器I15的触发输入端与低阈值反相器I4的输入端连接；D触发器I11和D触发器I15的时钟端与二输入与非门I10的输出端连接；D触发器I11的Q输出端连接反相器I12的输入端，D触发器I15的Q输出端连接反相器I16的输入端；反相器I12的输出端连接反相器I13的输入端和异或门I17的一输入端；反相器I16的输出端连接异或门I17的另一输入端和二输入与非门I18的一输入端；异或门I17的输出端连接二输入与非门I18的另一输入端；反相器I13的输出端经由反相器I14与无交叠信号产生电路I20的一输入端连接，二输入与非门I18的输出端经由反相器I19与无交叠信号产生电路I20的另一输入端连接；无交叠信号产生电路I20的一输出端形成开关控制电路A6的S1信号输出端，无交叠信号产生电路I20的另一输出端形成开关控制电路A6的S2信号输出端；开关信号SN产生电路进一步包括高阈值反相器I21、I28，低阈值反相器I31，反相器I23、I25、I27、I30，二输入或非门I22、I26、I29、I32，二输入与非门I24，以及自适应延时生成电路I33；高阈值反相器I21的输入端形成开关控制电路A6的S1_R信号输入端，高阈值反相器I28和低阈值反相器I31的输入端相连后，形成开关控制电路A6的S2_R信号输入端；高阈值反相器I21的输出端连接二输入或非门I22的一输入端，二输入或非门I22的另一输入端与低阈值反相器I1的输入端连接；高阈值反相器I28的输出端连接二输入或非门I29的一输入端，二输入或非门I29的另一输入端与低阈值反相器I4的输入端连接；二输入或非门I22的输出端经由反相器I23连接二输入与非门I24的一输入端，二输入或非门I29的输出端经由反相器I30连接二输入与非门I24的另一输入端；二输入与非门I24的输出端经由反相器I25连接二输入或非门I26的一输入端；低阈值反相器I31的输出端连接二输入或非门I32的一输入端，二输入或非门I32的另一输入端与异或门I17的输出端连接；二输入或非门I32的输出端连接二输入或非门I26的另一输入端；二输入或非门I26的输出端经由反相器I27连接自适应延时生成电路I33的A信号输入端；自适应延时生成电路I33的S1信号输入端与无交叠信号产生电路I20的一输出端连接，自适应延时生成电路I33的S2信号输入端与无交叠信号产生电路I20的另一输出端连接；自适应延时生成电路I33的V1信号输入端形成开关控制电路A6的V1信号输入端，自适应延时生成电路I33的V2信号输入端形成开关控制电路A6的V2信号输入端；自适应延时生成电路I33的SN信号输出端形成开关控制电路A6的SN信号输出端。

上述方案中，自适应延时生成电路I33更进一步包括低阈值反相器Z1，反相器Z2、Z4、Z10，二输入与非门Z8，上升沿检测器Z3，下降沿检测器Z6-Z7，D触发器Z9，以及电压转电流模块Z5；低阈值反相器Z1的输入端、上升沿检测器Z3的输入端和D触发器Z9的触发输入端相连后，形成自适应延时生成电路I33的A信号输入端；低阈值反相器Z1的输出端经由反相器Z2连接下降沿检测器Z7的输入端；上升沿检测器Z3的输出端经由反相器Z4连接电压转电流模块Z5的S_C信号输入端；电压转电流模块Z5的S1信号输入端、S2信号输入端、V1信号输入端和V2信号输入端分别形成自适应延时生成电路I33S1信号输入端、S2信号输入端、V1信号输入端和V2信号输入端；电压转电流模块Z5的输出端连接下降沿检测器Z6的输入端；下降沿检测器Z7的输出端与下降沿检测器Z6的输出端各与二输入与非门Z8的一输入端连接，二输入与非门Z8的输出端连接D触发器Z9的时钟端；D触发器Z9的Q输出端连接反相器Z10的输入端，反相器Z10的输出端形成自适应延时生成电路I33的SN信号输出端。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、同时对两个输入能量源的最大功率点电压进行追踪，能够实现两个能量源同时高效升压，减小了控制电路的功耗，并提高了追踪效率，追踪效率最大可以达到99.98％，提高了能量的利用率；

2、采用自适应延时生成电路，升压电源管理电路能适应具有不同的功率大小的双源输入，在两个能量源的输入功率差距过大时，升压电源管理电路仍能高效的升压，系统验证表明当输入能量源的输入功率分别为5uW和1mW时，电路的能量转换效率最大能达到85.59％。

附图说明

图1为一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路的整体结构图。

图2为图1中iL1、S_N、S_P、OV1、OV2、S1_R、S2_R信号的工作波形示意图。

图3为图1中A6的具体电路图。

图4为图3中I33的具体电路图。

图5为图3的工作流程图。

图6为输入功率与电路能量转换效率的曲线图(P1的Rs1＝10Ω，P2的Vs2＝300mV)。

图7为输入功率与电路追踪效率的曲线图(P1的Rs1＝10Ω，P2的Vs2＝300mV)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路，如图1所示，包括上升沿检测器A1-A2，SR锁存器A3，比较器A4-A5，开关控制电路A6，缓冲器A7-A9，功率源P1-P2，最大功率点电压采样电路A10-A11，电容Cin1-Cin2，NMOS管NM1-NM3，电感L1，PMOS管PM1，过零比较器A12，负载Cout和RL。其中，最大功率点电压采样电路A10、A11的输出信号Vm1、Vm2、EN，功率源P1、P2的输出电压V1、V2，电容Cin1、Cin2上的输入电压Vin1、Vin2，NMOS管NM1的开关信号S1_R，NMOS管NM2的开关信号S2_R，NMOS管NM3的开关信号S_N，PMOS管PM1的开关信号S_P，A4的输出信号OV1，A5的输出信号OV2，A6的输出信号S1、S2、SN。

NMOS管NM1的栅极与信号S1_R相连，漏极与信号Vin1相连，源极与电感L1的一端以及NM2的源极相连。NMOS管NM2的栅极与信号S2_R相连，漏极与信号Vin2相连，源极与电感L1的一端以及NM1的源极相连。NMOS管NM3的栅极与信号S_N相连，漏极与电感L1的另一端相连，源极接地。电容Cin1的一端为信号Vin1，另一端接地。电容Cin2的一端为信号Vin2，另一端接地。Vm1与比较器A4的正极性相连，Vin1与比较器A4的负极性相连，输出电压信号OV1；Vm2与比较器A5的正极性相连，Vin2与比较器A5的负极性相连，输出电压信号OV2。上升沿检测器A1的IN端与信号S_N相连，输出端OUT与SR锁存器A3的S端相连。上升沿检测器A2的IN端与信号S_P相连，输出端OUT与SR锁存器A3的R端相连。SR锁存器A3的Q端输出信号SR_Q。开关控制电路A6的输入信号为EN、SR_Q、OV1、OV2、S1_R、S2_R、V1、V2，输出信号为S1、S2、SN。信号S1经过缓冲器A7生成信号S1_R，信号S2经过缓冲器A8生成信号S2_R，信号SN经过缓冲器A9生成信号S_N。

参见图3，开关控制电路A6包括检测电路、开关S1与S2产生电路、以及开关信号SN产生电路。检测电路检测电压信号OV1、OV2、SR_Q，为开关信号S1与S2产生电路中的D触发器I11和I15提供时钟信号。开关信号S1与S2产生电路在电压信号CK的上升沿来临时采样电压信号OV1和OV2，之后输出开关信号S1和S2。开关信号SN产生电路根据电压信号S1_R、S2_R、OV1、OV2、V1、V2，输出开关信号SN。

上述检测电路包括输入信号OV1、OV2、SR_Q、EN，输出信号CK，二个低阈值反相器I1、I4，二个反相器I2、I5，二个二输入与非门I7、I10，一个三输入与非门I9，二个下降沿检测器I3、I6，一个上升沿检测器I8。其中信号OV1与低阈值反相器I1的输入端相连，I1的输出端与反相器I2的输入端相连，I2的输出端产生信号OV1_1，OV1_1与下降沿检测器I3的IN端相连。信号SR_Q与下降沿检测器I3的EN端相连，I3的OUT端与三输入与非门I9的一个输入端相连。信号OV2与低阈值反相器I4的输入端相连，I4的输出端与反相器I5的输入端相连，I5的输出端产生信号OV2_1，OV2_1与下降沿检测器I6的IN端相连。信号SR_Q与下降沿检测器I6的EN端相连，I6的OUT端与三输入与非门I9的一个输入端相连。信号SR_Q与上升沿检测器I8的IN端相连。信号OV1_1与信号OV2_1与二输入与非门I7的输入端相连，I7的输出端与上升沿检测器I8的EN端相连，I8的OUT端口与三输入与非门I9的一个输入端相连。三输入与非门I9的输出端和信号EN分别与二输入与非门I10的两个输入端相连，I10的输出端输出信号CK。

上述开关S1与S2产生电路包括输入信号OV1、OV2、CK，输出信号S1、S2、EOR_OUT，二个D触发器I11、I15，五个反相器I12、I13、I14、I16、I19，一个异或门I17，一个二输入与非门I18，一个无交叠信号产生电路I20。其中D触发器I11的D端与信号OV1相连，Clk端与信号CK相连，Q端与与反相器I12的输入端相连。反相器I12的输出端与反相器I13的输入端相连。反相器I13的输出端与反相器I14的输入端相连。D触发器I15的D端与信号OV2相连，Clk端与信号CK相连，Q端与与反相器I16的输入端相连。异或门I17的一个输入端与反相器I12的输出端相连，另一个输入端与反相器I16的输出端相连，输出端输出信号EOR_OUT。二输入与非门I18的一个输入端与信号EOR_OUT相连，另一个输入端与反相器I16的输出端相连。反相器I19的输入端与输入与非门I18的输出端相连。无交叠信号产生电路I20的IN1端与反相器I14的输出端相连，IN2端与反相器I19的输出端相连，OU1端输出信号S1，OUT2端输出信号S2。

上述开关信号SN产生电路包括输入信号S1、S2、V1、V2、S1_R、S2_R、OV1、OV2，输出信号SN，二个高阈值反相器I21、I28，一个低阈值反相器I31，四个反相器I23、I25、I27、I30，四个二输入或非门I22、I26、I29、I32，一个二输入与非门I24，一个自适应延时生成电路I33。其中高阈值反相器I21的输入端与信号S1_R相连。二输入或非门I22的一个输入端与高阈值反相器I21的输出端相连，另一个输入端与信号OV1相连。反相器的输入端I23与二输入或非门I22的输出端相连。高阈值反相器I28的输入端与信号S2_R相连。二输入或非门I29的一个输入端与反相器I28的输出端相连，另一个输入端与信号OV2相连。反相器I30的输入端与二输入或非门I29的输出端相连。二输入与非门I24的一个输入端与反相器I23的输出端相连，另一个输入端与反相器I30的输出端相连。反相器I25的输入端与二输入与非门I24的输出端相连。低阈值反相器I31的输入端与信号S2_R相连。或非门I32的一个输入端与信号EOR_OUT相连，另一个输入端与低阈值反相器I31的输出端相连。或非门I26的一个输入端与反相器I25的输出端相连，另一个输入端与二输入或非门I32的输出端相连。反相器I27的输入端与二输入或非门I26的输出端相连，输出信号A。自适应延时生成电路I33的输入信号为A、S1、S2、V1、V2，输出信号为SN。

参见图4，开关信号SN产生电路的自适应延时生成电路I33包括输入信号A、S1、S2、V1、V2，输出信号SN，一个低阈值反相器Z1，三个反相器Z2、Z4、Z10，一个二输入与非门Z8，一个上升沿检测器Z3，二个下降沿检测器Z6、Z7，一个D触发器Z9，一个电压转电流模块Z5。其中低阈值反相器Z1的输入端与信号A相连。反相器Z2的输入端与低阈值反相器Z1的输出端相连，输出端输出信号A_L。上升沿检测器Z3的IN端与信号A相连。反相器Z4的输入端与上升沿检测器Z3的输出端相连，输出端输出信号S_C。电压转电流模块的输入信号为S_C、S1、S2、V1、V2，S_C为使能信号，当S_C信号出现高电平脉冲时该电路开始工作，该模块根据S1或S2的电平以及V1或V2的大小在out输出端输出高电平延时时间为T_opt的信号。下降沿检测器Z6的IN端与电压转电流模块的out端相连。下降沿检测器Z7的输入端与信号A_L相连。二输入与非门Z8的一个输入端与下降沿检测器Z6的OUT端相连，另一个输入端与下降沿检测器Z7的OUT端相连。D触发器Z9的D端与信号A相连，Clk端与二输入与非门Z8的输出端相连。反相器Z10的输入端与D触发器Z9的Q端相连，输出信号SN。

本发明的工作原理为：

本发明通过MOS管开关和电感电容，实现两个能量源同时从低电压到高电压之间的转换；通过比较器A4、A5同时比较电容Cin1和Cin2的电压Vin1、Vin2与其最大功率点的电压Vm1、Vm2，以保证输入能量源P1与P2的输出电压V1、V2与电压Vm1、Vm2近似相等，从而实现同时对两个输入能量源进行最大功率追踪的功能。开关控制电路A6根据V1、V2电压大小的不同，在保证电路稳定工作的同时，输出具有自适应延时时间的信号SN。

通过比较器A4、A5实时比较电压Vin1与Vm1、Vin2与Vm2的大小，使得输入电压V1、V2始终稳定在最大功率点电压附近，从而使得电路对能量源P1、P2都具有较高的追踪效率。开关控制电路A6中的自适应延时生成电路I33，根据V1、V2电压的大小，在保证电路正常工作的前提下，生成具有不同延时时间的开关信号SN，使得电路具有较低的系统频率，从而降低了控制电路的功耗以及寄生电容的充放电损耗。

电压源Vs1和电阻Rs1构成一个输入能量源P1，电压源Vs2和电阻Rs2构成另一个输入能量源P2。最大功率点电压采样电路A10和A11周期性的对这两个输入能量源的最大功率点电压(普通能量源为开路电压的0.5倍、光伏能量源为开路电压的0.7倍)进行采样并输出采样信号Vm1、Vm2和开关控制电路的使能控制信号EN。在最大功率点电压采样电路A10、A11采样最大功率点电压时，使能信号EN为低电平，开关控制电路A6不工作。比较器A4、A5实时比较电压Vin1与Vm1、Vin2与Vm2的大小，当Vin1高于Vm1或Vin2高于Vm2时，比较器A4或A5的输出电压信号OV1或OV2将由高电平跳变为低电平。上升沿检测器A1和A2分别检测电压信号S_N和S_P，当电压信号S_N出现上升沿时，上升沿检测器A1的输出端口OUT端将出现短暂的低电平脉冲，SR锁存器A3的输出信号SR_Q将由高电平转变为低电平；当电压信号S_P出现上升沿时，上升沿检测器A2的输出端口OUT端将出现短暂的低电平脉冲，SR锁存器A3的输出信号SR_Q将由低电平转变为高电平。开关控制电路A6检测电压信号SR_Q、OV1、OV2、S1_R、S2_R、V1、V2，输出电压信号S1、S2、SN。输出电压信号S1、S2、SN经缓冲器A7、A8、A9输出电压信号S1_R、S2_R、SN。电压信号S1_R、S2_R、SN为NMOS开关管NM1、NM2、NM3的开关信号。

NMOS管NM1、NM2、NM3作为开关，NM1和NM3导通时，NM2关断，电容Cin1向电感L1充电；NM2和NM3导通时，NM1关断，电容Cin2向电感L1充电。当电感L1充电完成之后，电压Vs将高于电压Vo，过零比较器A12的输出电压信号S_P将由高电平变为低电平，PMOS管PM1导通，电感L1向负载Cout和RL放电。直到电压Vs低于电压Vo，PMOS管PM1关断，电路完成一个升压周期。

电路工作时电感L1的电流iL1、开关信号S_N、开关信号S_P、开关信号S1_R、开关信号S2_R、比较器A4、A5的输出信号OV1、OV2的部分波形如附图2所示。在附图2所示波形中，信号OV2比OV1先出现下降沿，开关信号S2_R和S_N由低电平变为电平，此时信号S_N高电平的持续时间包括T_OV2和T_opt2。当开关信号S_P的低电平脉冲结束后，电路开始响应OV1的低电平信号。延时时间T_OV1、T_OV2即为信号OV1、OV2在其对应S1_R、S2_R信号为高电平时的低电平持续时间，延时时间T_opt1、T_opt2为自适应延时生成电路I33根据电压V1、V2的大小生成的自适应的延时时间。

所述检测电路检测电压信号OV1、OV2、SR_Q，为开关信号S1与S2产生电路中的D触发器I11和I15提供时钟信号。开关信号S1与S2产生电路在电压信号CK的上升沿来临时采样电压信号OV1和OV2，之后输出开关信号S1和S2。开关信号SN产生电路根据电压信号S1_R、S2_R、OV1、OV2、V1、V2，输出开关信号SN。检测电路的具体工作流程如附图5所示。检测电路同时检测电压信号SR_Q、检测信号OV1、检测信号OV2，并根据附图5所示流程图，输出使能电压信号CK，即CK信号产生低电平脉冲，此时CK信号出现上升沿，D触发器I11、I15开始采样，开关信号SN产生电路开始工作。

所述开关信号S1与S2产生电路，D触发器I11和I15分别采样OV1和OV2，根据表1所示的真值表，输出对应S1与S2的电压信号。

表1 OV1、OV2与S1、S2的真值表

OV1	OV2	S1	S2
				1	0	0	1
0	1	1	0
				0	0	1	0

所述开关信号SN产生电路根据电压信号S1_R、S2_R、OV1、OV2、V1、V2以及(1)式所示的逻辑表达式，输出电压信号A。(1)式中，S1_R^*H表示使用高阈值的反相器来检测S1_R信号，S2_R^*H表示使用高阈值的反相器来检测S2_R信号，S2_R^*L表示使用低阈值的反相器来检测S2_R信号。自适应延时生成电路I33根据电压信号V1、V2的大小以及电压信号A的延时时间，输出电压信号SN。

在自适应延时生成电路I33的具体电路中，当电压信号A出现下降沿，D触发器Z9则采样电压信号A的电平，此时电压信号SN输出高电平。电压信号A的低电平持续时间T_OV结束后，电压信号S_C出现高电平脉冲，电压转电流的模块Z5根据电压V1或V2的大小，在out输出端口自适应地产生一个延时时间为T_opt的高电平脉冲。当该脉冲跳变为低电平时，D触发器Z9也将采样电压信号A的电平，此时电压信号SN由高电平转变为低电平。该过程中SN的高电平持续时间T_D可由式(2)表示。

T_D＝T_opt+T_OV (2)

本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种适用于双源能量收集系统中的最大功率同步追踪电路，对于两个输入能量源同时工作的电路，所设计的电源管理电路能够同时追踪这两个能量源功率输出的最大功率点，极大地提高了能量利用率且拓宽了能量收集系统中能量来源的途径。电路在两个能量源的输入功率差距过大时，仍能有效地保证电路的升压效率。本发明采用的自适应延时生成电路能够使得电路在输入源不同输入功率、不同输入电压、不同内阻的情况下都能保证高能量转换效率的升压，有效地提高了升压电路的适应性。

基于0.18um CMOS工艺的Cadence Spectre仿真，输入功率源P1模拟温差热电池(TEG)，输入功率源P2模拟太阳能电池(PV)或生物燃料电池(BFC)，电路在输入功率源P1的内阻Rs1固定为10Ω，输入功率源P1中电压Vs1的范围为14.1mV-200mV，输入功率源P2的电压Vs2固定为300mV，输入功率源P2中电阻Rs2的范围为22.5Ω-4.5kΩ，输入功率范围为10uW-1mW，输出电压为1.6V-1.7V时，测试了P1等于P2、P1固定为5uW、P2固定为5uW三种不同情况下电路的追踪效率以及能量转换效率。仿真结果表明，当P1等于P2时，电路的追踪效率为96.53％-99.69％，电路的能量转换效率为57.9％-83.7％，控制电路的功耗为785.9nW-2.742uW。当P1固定为5uW时，电路的追踪效率为96.53％-99.78％，电路的能量转换效率为57.9％-85.59％，控制电路的功耗为785.9nW-2.72uW。当P2固定为5uW时，电路的追踪效率为96.53％-99.98％，电路的能量转换效率为57.9％-81.68％，控制电路的功耗为785.9nW-1.803uW。这些仿真结果验证了本发明的有效性。

对于两个输入能量源同时工作的能量收集系统，电源管理电路能够同时追踪这两个能量源功率输出的最大功率点，从而极大地提高了能量利用率。控制能量源切换的开关控制电路，用于在功率管需要导通时选择正确的能量源接入DC-DC升压电路。开关控制电路能够使得两个能量源在同时升压的时候不会相互影响，以使得在两个能量源的输入功率差距过大时，仍能有效地保证电路的升压效率。自适应延时生成电路，用于在功率管需要导通时，在保证将能量源的输入电压稳定在最大功率点电压处时，根据能量源不同的输入电压能够产生自适应的开关导通延时时间。自适应延时生成电路能够使得电路在双输入源有不同输入功率、不同输入电压、不同能量源电阻的情况下均能保证升压时的高能量转换效率，有效地提高了电源管理电路的适应性。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims

1.一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路，其特征是，包括上升沿检测器A1-A2，SR锁存器A3，比较器A4-A5，开关控制电路A6，缓冲器A7-A9，功率源P1-P2，最大功率点电压采样电路A10-A11，电容Cin1-Cin2，NMOS管NM1-NM3，电感L1，PMOS管PM1，以及过零比较器A12；

上升沿检测器A1的输入端连接NMOS管NM3的栅极，上升沿检测器A1的输出端连接SR锁存器A3的S输入端；上升沿检测器A2的输入端连接PMOS管PM 1的栅极，上升沿检测器A2的输出端连接SR锁存器A3的R输入端；SR锁存器A3的输出端与开关控制电路A6的SR_Q信号输入端连接；

比较器A4的正向输入端与最大功率点电压采样电路A10的Vm1信号输出端连接，比较器A4的反向输入端最大功率点电压采样电路A10的输出端连接，比较器A4的输出端与开关控制电路A6的OV1信号输入端连接；

比较器A5的正向输入端与最大功率点电压采样电路A11的Vm1信号输出端连接，比较器A5的反向输入端最大功率点电压采样电路A11的输出端连接，比较器A5的输出端与开关控制电路A6的OV2信号输入端连接；

功率源P1的输出端与最大功率点电压采样电路A10的输入端和开关控制电路A6的V1信号输入端连接；最大功率点电压采样电路A10的EN信号输出端与开关控制电路A6的EN信号输入端连接；最大功率点电压采样电路A10的输出端连接NMOS管NM1的漏极和电容Cin1的一端，电容Cin1的另一端接地；

功率源P2的输出端与最大功率点电压采样电路A11的输入端和开关控制电路A6的V2信号输入端连接；最大功率点电压采样电路A10的输出端连接NMOS管NM2的漏极和电容Cin2的一端，电容Cin2的另一端接地；

NMOS管NM1的栅极与开关控制电路A6的S1_R信号输入端连接，NMOS管NM2的栅极与开关控制电路A6的S2_R信号输入端连接；

NMOS管NM1的源极和NMOS管NM2的源极与电感L1的一端连接，电感L1的另一端连接NMOS管NM3的漏极、PMOS管PM 1的源极和过零比较器A12的反向输入端；

NMOS管NM3的源极接地；PMOS管PM 1的栅极与过零比较器A12的输出端连接；PMOS管PM1的漏极和过零比较器A12的正向输入端相连后，与负载连接；

开关控制电路A6的S1信号输出端接缓冲器A7的输入端，缓冲器A7的输出端与NMOS管NM1的栅极连接；

开关控制电路A6的S2信号输出端接缓冲器A8的输入端，缓冲器A8的输出端与NMOS管NM2的栅极连接；

开关控制电路A6的SN信号输出端接缓冲器A9的输入端，缓冲器A9的输出端与PMOS管PM1的栅极连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路，其特征是，开关控制电路A6包括检测电路，开关信号S1与S2产生电路，以及开关信号SN产生电路；

检测电路进一步包括低阈值反相器I1、I4，反相器I2、I5，二输入与非门I7、I10，三输入与非门I9，下降沿检测器I3、I6，以及上升沿检测器I8；低阈值反相器I1的输入端形成开关控制电路A6的OV1信号输入端，反相器I1的输出端经由反相器I2连接下降沿检测器I3的输入端和二输入与非门I7的一个输入端；低阈值反相器I4的输入端形成开关控制电路A6的OV2信号输入端，反相器I4的输出端经由反相器I5连接下降沿检测器I6的输入端和二输入与非门I7的另一个输入端；二输入与非门I7的输出端连接上升沿检测器I8的使能端；下降沿检测器I3的使能端、下降沿检测器I6的使能端和下降沿检测器I8的输入端相连后，形成开关控制电路A6的SR_Q信号输入端；下降沿检测器I3的输出端、下降沿检测器I6的输出端和下降沿检测器I8的输出端各与三输入与非门I9的一个输入端连接，三输入与非门I9的输出端连接二输入与非门I10的一个输入端，二输入与非门I10的另一个输入端形成开关控制电路A6的EN信号输入端；

开关信号S1与S2产生电路进一步包括D触发器I11、I15，反相器I12-I14、I16、I19，异或门I17，二输入与非门I18，以及无交叠信号产生电路I20；D触发器I11的触发输入端与低阈值反相器I1的输入端连接，D触发器I15的触发输入端与低阈值反相器I4的输入端连接；D触发器I11和D触发器I15的时钟端与二输入与非门I10的输出端连接；D触发器I11的Q输出端连接反相器I12的输入端，D触发器I15的Q输出端连接反相器I16的输入端；反相器I12的输出端连接反相器I13的输入端和异或门I17的一输入端；反相器I16的输出端连接异或门I17的另一输入端和二输入与非门I18的一输入端；异或门I17的输出端连接二输入与非门I18的另一输入端；反相器I13的输出端经由反相器I14与无交叠信号产生电路I20的一输入端连接，二输入与非门I18的输出端经由反相器I19与无交叠信号产生电路I20的另一输入端连接；无交叠信号产生电路I20的一输出端形成开关控制电路A6的S1信号输出端，无交叠信号产生电路I20的另一输出端形成开关控制电路A6的S2信号输出端；

开关信号SN产生电路进一步包括高阈值反相器I21、I28，低阈值反相器I31，反相器I23、I25、I27、I30，二输入或非门I22、I26、I29、I32，二输入与非门I24，以及自适应延时生成电路I33；

高阈值反相器I21的输入端形成开关控制电路A6的S1_R信号输入端，高阈值反相器I28和低阈值反相器I31的输入端相连后，形成开关控制电路A6的S2_R信号输入端；高阈值反相器I21的输出端连接二输入或非门I22的一输入端，二输入或非门I22的另一输入端与低阈值反相器I1的输入端连接；高阈值反相器I28的输出端连接二输入或非门I29的一输入端，二输入或非门I29的另一输入端与低阈值反相器I4的输入端连接；二输入或非门I22的输出端经由反相器I23连接二输入与非门I24的一输入端，二输入或非门I29的输出端经由反相器I30连接二输入与非门I24的另一输入端；二输入与非门I24的输出端经由反相器I25连接二输入或非门I26的一输入端；低阈值反相器I31的输出端连接二输入或非门I32的一输入端，二输入或非门I32的另一输入端与异或门I17的输出端连接；二输入或非门I32的输出端连接二输入或非门I26的另一输入端；二输入或非门I26的输出端经由反相器I27连接自适应延时生成电路I33的A信号输入端；自适应延时生成电路I33的S1信号输入端与无交叠信号产生电路I20的一输出端连接，自适应延时生成电路I33的S2信号输入端与无交叠信号产生电路I20的另一输出端连接；自适应延时生成电路I33的V1信号输入端形成开关控制电路A6的V1信号输入端，自适应延时生成电路I33的V2信号输入端形成开关控制电路A6的V2信号输入端；自适应延时生成电路I33的SN信号输出端形成开关控制电路A6的SN信号输出端。

3.根据权利要求2所述的一种适用于双源能量收集系统的最大功率同步追踪电路，其特征是，自适应延时生成电路I33更进一步包括低阈值反相器Z1，反相器Z2、Z4、Z10，二输入与非门Z8，上升沿检测器Z3，下降沿检测器Z6-Z7，D触发器Z9，以及电压转电流模块Z5；

低阈值反相器Z1的输入端、上升沿检测器Z3的输入端和D触发器Z9的触发输入端相连后，形成自适应延时生成电路I33的A信号输入端；低阈值反相器Z1的输出端经由反相器Z2连接下降沿检测器Z7的输入端；

上升沿检测器Z3的输出端经由反相器Z4连接电压转电流模块Z5的S_C信号输入端；电压转电流模块Z5的S1信号输入端、S2信号输入端、V1信号输入端和V2信号输入端分别形成自适应延时生成电路I33S1信号输入端、S2信号输入端、V1信号输入端和V2信号输入端；电压转电流模块Z5的输出端连接下降沿检测器Z6的输入端；

下降沿检测器Z7的输出端与下降沿检测器Z6的输出端各与二输入与非门Z8的一输入端连接，二输入与非门Z8的输出端连接D触发器Z9的时钟端；

D触发器Z9的Q输出端连接反相器Z10的输入端，反相器Z10的输出端形成自适应延时生成电路I33的SN信号输出端。