CN110417294A - 一种带有冷启动功能的压电能量收集系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有冷启动功能的压电能量收集系统及其方法，该系统包括：P‑SSHI整流模块、冷启动模块、电荷泵模块和多输出负载模块，其中冷启动模块包括：电压调整单元、连接控制单元和电平移位器。本发明通过动态连接压电材料区域，收集能量帮助系统在冷状态下进行启动，并能提升能量收集效率，当系统成功进行冷启动，收集到足够的能量后，能同时对不同功率的负载进行供电，达到多输出负载的目的。

Description

一种带有冷启动功能的压电能量收集系统及其方法

技术领域

本发明涉及电源管理芯片领域，具体说是一种应用于压电能量收集的接口电路及其冷启动控制方法。

背景技术

随着物联网技术的深入发展，关于无线传感器网络节点的自供电问题引起了全球学者的广泛兴趣；目前主要思路是采用接口电路从环境中收集能量用来给节点电路供电，在收集振动能时，最常用的就是FBR技术，但是传统FBR技术存在整流效率低和整流损耗大等缺点。基于FBR技术，能大大提升整流效率的P-SSHI技术被提出；然而当系统振动源激励水平低或者系统储存能量低的情况下，P-SSHI电路存在冷启动的问题，这与能量收集系统能否正常工作密切相关，故仍是等待解决的问题。

目前关于P-SSHI的能量收集技术中，冷启动问题依然很少有人去探索和解决，在自供电的系统中，如果不能解决冷启动问题，那么实际应用中就不具备实际可操作性。

发明内容

本发明为克服现有压电能量收集技术存在的问题，提出一种带有冷启动功能的压电能量收集系统及其方法，以期在系统处于冷态时能动态连接压电材料区域，帮助系统摆脱冷态并增加能量收集效率，从而让压电能量收集系统在实际应用场景中能够正常工作。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种带有冷启动功能的压电能量收集系统的特点包括：P-SSHI整流模块、电荷泵模块、冷启动模块和多输出负载模块；

所述P-SSHI整流模块包括：峰值检测单元、开关控制单元、FBR整流单元、第一电平移位器和NMOS开关管；

所述多输出负载模块包括：第一负载电容C_L、第二负载电容C_DD、PMOS开关管和负载单元；所述PMOS开关管的源极与第一负载电容C_L的一端相连，所述PMOS开关管的漏极与第二负载电容C_DD的一端相连；

所述冷启动模块包括：电压调节单元、连接控制单元和第三电平移位器；

所述压电能量收集系统的振动源由等效电流源I_P和等效电容C_P并联而成，并将所述振动源等效成两组电流源和电容组成，分别记为I₁和C₁，I₂和C₂；所述NMOS开关管的漏极和第一组电流源I₁相连，所述NMOS开关管的源极与第二组电流源I₂相连；

当所述压电能量收集系统处于冷状态时，所述压电能量收集系统由第一组电流源I₁供电；

当所述第一组电流源I₁达到过零时刻时，所述FBR整流单元对所述振动源的电压V_PT进行整流，得到整流后的电压用于给所述第一负载电容C_L和第二负载电容C_DD充电；当第二负载电容C_DD上的电压V_DD达到系统所需直流电压时，所述电荷泵模块将所述电压V_DD升压至高电平信号V_DDH，并作为三个电平移位器的移位电压；同时，所述电压调节单元输出电压调节信号Y_H给PMOS开关管的栅极，使得PMOS开关管关闭来维持第二负载电容C_DD所达到的系统所需直流电压；同时，所述连接控制单元输出连接控制信号C₀至第三电平移位器进行升压，得到升压后的连接控制信号C_H并传递给所述NMOS开关管的栅极，使得所述NMOS开关管打开，所述第一组电流源I₁和第二组电流源I₂连通，形成振动源的等效电流源I_P；

所述峰值检测单元检测到等效电流源I_P的过零时刻时输出两个开关控制信号φ₁和φ₂，并由所述第一电平移位器进行升压，得到升压后的两个开关控制信号F₁和F₂并传递给所述开关控制单元，以使所述开关控制单元中的两个开关形成一开一关的状态，从而使得所述振动源的等效电容和开关控制单元中的电感能形成LC振荡回路，用于调整所述振动源的电压V_PT；

所述FBR整流单元对调整后的振动源的电压V’_PT进行整流，得到整流后的振动源的电压V_L用于给所述第一负载电容C_L充电；

当所述整流后的振动源的电压V_L达到PMOS开关管的失效电压时，所述负载单元对所述整流后的振动源的电压V_L进行降压，使得PMOS开关管恢复正常工作，以保持系统正常工作。

本发明一种带有冷启动功能的压电能量收集方法的特点是应用于由第一负载电容C_L和第二负载电容C_DD、NMOS开关管、PMOS开关管、两个开关、一个电感和全桥整流单元所组成的系统中，且所述PMOS开关管的源极与第一负载电容C_L的一端相连，所述PMOS开关管的漏极与第二负载电容C_DD的一端相连；所述方法是按如下步骤进行：

步骤1、将由等效电流源I_P和等效电容C_P并联而成的振动源等效成两组电流源和电容，分别记为I₁和C₁，I₂和C₂；且所述NMOS开关管的漏极和第一组电流源I₁相连，所述NMOS开关管的源极与第二组电流源I₂相连；

步骤2、当第二负载电容C_DD未达到工作电压时，所述全桥整流单元获取第一组电流源I₁的电压并进行整流，得到整流后的电压用于给所述第一负载电容C_L和第二负载电容C_DD充电；

步骤3、当第二负载电容C_DD达到工作电压时，将所述第二负载电容C_DD上的电压V_DD升压至高电平信号V_DDH；同时，令PMOS开关管关闭来维持所述第二负载电容C_DD的工作电压，令所述NMOS开关管打开，使得所述第一组电流源I₁和第二组电流源I₂连通，形成振动源的等效电流源I_P；

步骤4、检测等效电流源I_P达到过零时刻时，控制两个开关形成一开一关的状态，从而使得所述振动源的等效电容和电感能形成谐振回路，用于调整所述振动源的电压V_PT；

步骤5、对调整后的振动源的电压V’_PT进行整流，得到整流后的振动源的电压V_L用于给所述第一负载电容C_L充电；

步骤6、当所述整流后的振动源的电压V_L达到PMOS开关管的失效电压时，对所述整流后的振动源的电压V_L进行降压，使得PMOS开关管恢复正常工作，以保持系统正常工作。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.本发明的带有冷启动功能的压电能量收集系统，基于实际压电材料的电学特性，通过动态连接压电材料的不同区域，帮助系统储存能量，从而摆脱冷态，这样系统就能在振动源激励水平低或者系统储能低的情况下运行，在实际应用场景中，就更加具有实用性和可操作性。

2.本发明的P-SSHI整流模块和冷启动控制模块结构简单，易于集成，功耗低，在实际应用场景中具有更小的体积和更优的能量收集性能。

3.本发明的多输出负载电路将锂电池和LDO的组合作为负载单元，通过比较负载电压和参考电压来决定锂电池是否给大功率负载供电以及LDO是否给小功率负载供电，实现给不同功率负载供电的目的，起到在实际应用场景中能同时给不同负载供电的功能。

附图说明

图1是本发明带有冷启动功能的压电能量收集系统的整体示意图；

图2是压电材料的应力分布与区域长度的关系图；

图3是本发明电荷泵模块的内部结构图；

图4是本发明冷启动模块内部结构图；

图5是本发明P-SSHI整流模块的内部结构图；

图6是本发明多输出负载内部结构图。

具体实施方式

本实施例中，一种带有冷启动功能的压电能量收集系统，如图1所示，包括：P-SSHI整流模块、电荷泵模块、冷启动模块和多输出负载模块；

压电能量收集系统的振动源由等效电流源I_P和等效电容C_P并联而成，本系统基于分离电极的理论，如图2所示，压电材料振动时，应力分布与区域长度存在这样一种关联，压电材料产生的应力随着区域长度的增加而逐渐减小，从而压电材料可分为高应力区，低应力区和零应力区，标记为区域1、2、3，由于压电材料的应力大小与其产生开路电压的大小成正比，所以区域1产生的开路电压比区域1和2两个区域产生的开路电压要大，由于区域1的高开路电压可以帮助我们更简易地开启电路，因而将压电材料振动源等效成两组电流源和电容，分别记为I₁和C₁，I₂和C₂；且NMOS开关管的漏极和第一组电流源I₁相连，NMOS开关管的源极与第二组电流源I₂相连，系统从冷状态到正常运行共分为两个阶段运行；

第一个阶段，当压电能量收集系统处于冷状态时，压电能量收集系统由第一组电流源I₁供电；

当第一组电流源I₁达到过零时刻时，FBR整流单元对振动源的电压V_PT进行整流，得到整流后的电压用于给第一负载电容C_L和第二负载电容C_DD充电；

第二阶段，当第二负载电容C_DD上的电压V_DD达到系统所需直流电压，即V_DD为1.5V时，电荷泵模块将V_DD升压至高电平信号V_DDH，信号V_DDH是用来作为所用电平移位器的移位电压；如图3所示，为本系统电荷泵模块，包括：环形振荡器、分频器、不重叠时钟产生器、第二电平移位器和开关电容单元。因为本系统用到了很多大尺寸的开关管，仅凭电压V_DD可能无法完全驱动这些开关管，所以本系统用到电荷泵结构来给电压V_DD进行升压。环形振荡器产生8kHz的信号RO，该信号经过分频器分频得到1kHz的信号FD，信号FD经过不重叠时钟产生器产生两个时钟信号，这两个时钟信号经过电平移位器升压成控制信号f₁、f₂，f₁和f₂控制着开关电容单元开关的开启和关断，最终实现输出电压V_DDH是输入电压V_DD的3倍大小，即V_DDH为4.5V；

此时，如图4所示，为本系统冷启动模块，包括：电压调节单元、连接控制单元和第三电平移位器；在电压调节单元中，1.5V电压V_DD通过电阻R₁、R₂分压后与一个参考电压BGR进行比较，比较器输出电压调节信号Y₀,该信号经过电平移位器升压成为高电平电压调节信号Y_H，，将电压调节信号Y_H给PMOS开关管的栅极，使得PMOS开关管关闭来维持第二负载电容C_DD所达到的系统所需直流电压1.5V；

同时，电压调节信号Y₀传递到连接控制单元，一个D触发器将信号Y₀转化成连接控制信号C₀，连接控制信号C₀至第三电平移位器进行升压，得到升压后的连接控制信号C_H并传递给NMOS开关管的栅极，使得NMOS开关管打开，第一组电流源I₁和第二组电流源I₂连通，形成完整振动源的等效电流源I_P；

峰值检测单元检测到等效电流源I_P的过零时刻，如图5所示，为本系统所用P-SSHI整流模块，包括：峰值检测单元、开关控制单元、FBR单元、第一电平移位器和NMOS开关管。峰值检测单元在检测到振动源等效电压|V_PT|(或|V_A–V_B|)达到峰值时，也是振动源等效电流源I_P的过零时刻；此时峰值检测单元中的比较器就会比较V_A、V_B和一个参考电压V_ref0的大小，从而输出比较信号Q₁和Q₂信号，Q₁和Q₂进入一个“与”门产生电压反转信号F_P，Q₂经反相后传递到一个D触发器产生F_N信号，信号F_N反相后与Fp一同传输到“与”门产生开关控制信号φ₁，F_N和F_P进入“与”门后产生开关控制信号φ₂，输出两个开关控制信号φ₁和φ₂，并由第一电平移位器进行升压，得到升压后的两个开关控制信号F₁和F₂并传递给开关控制单元，以使开关控制单元中的两个开关SW₁、SW₂形成一开一关的状态，从而使得振动源的等效电容和开关控制单元中的电感能形成LC振荡回路，用于调整振动源的电压V_PT，加快电压V_PT的翻转，得到调整后的电压V’PT；

FBR整流单元对调整后的振动源的电压V’_PT进行整流，得到整流后的振动源的电压V_L用于给第一负载电容C_L充电；

当整流后的振动源的电压V_L达到PMOS开关管的失效电压时，负载单元对整流后的振动源的电压V_L进行降压，使得PMOS开关管恢复正常工作，以保持系统正常工作。如图6所示，为本系统多输出负载电路，包括：第一负载电容C_L、第二负载电容C_DD、PMOS开关管和负载单元；PMOS开关管的源极与第一负载电容C_L的一端相连，PMOS开关管的漏极与第二负载电容C_DD的一端相连；负载单元由一个1.8V锂电池、一个LDO和两个比较器组成。系统收集能量从冷状态启动后，经过长时间的累积，当能量积蓄到一定程度时，系统需要将能量用来给负载供电。当第一负载电容C_L上的电压V_L达到5V时，负责连接第一电容C_L和第二负载电容C_DD的PMOS开关管即将失效，此时，C_L给负载单元中的1.8V锂电池供电，而C_DD负责给负载单元中的LDO供电，输出1.2V电压；负载单元中的比较器通过比较负载电压V_Ld1和参考电压V_ref1来输出控制信号Ld1-cmp，来判定锂电池是否给大功率负载供电；比较器通过比较负载电压V_Ld2和参考电压V_ref2来输出控制信号Ld2-cmp，来判定LDO是否给小功率负载供电Ld2-cmp。

本实施例中，一种带有冷启动功能的压电能量收集方法是应用于由第一负载电容C_L和第二负载电容C_DD、NMOS开关管、PMOS开关管、两个开关、一个电感和全桥整流单元所组成的系统中，且PMOS开关管的源极与第一负载电容C_L的一端相连，PMOS开关管的漏极与第二负载电容C_DD的一端相连；该方法是按如下步骤进行：

步骤1、将由等效电流源I_P和等效电容C_P并联而成的振动源等效成两组电流源和电容，分别记为I₁和C₁，I₂和C₂；且NMOS开关管的漏极和第一组电流源I₁相连，NMOS开关管的源极与第二组电流源I₂相连；

步骤2、当第二负载电容C_DD未达到工作电压时，全桥整流单元获取第一组电流源I₁的电压并进行整流，得到整流后的电压用于给第一负载电容C_L和第二负载电容C_DD充电；

步骤3、当第二负载电容C_DD达到工作电压时，将第二负载电容C_DD上的电压V_DD升压至高电平信号V_DDH；同时，令PMOS开关管关闭来维持第二负载电容C_DD的工作电压，令NMOS开关管打开，使得第一组电流源I₁和第二组电流源I₂连通，形成振动源的等效电流源I_P；

步骤4、检测等效电流源I_P达到过零时刻时，控制两个开关形成一开一关的状态，从而使得振动源的等效电容和电感能形成谐振回路，用于调整振动源的电压V_PT；

步骤5、对调整后的振动源的电压V’_PT进行整流，得到整流后的振动源的电压V_L用于给第一负载电容C_L充电；

步骤6、当整流后的振动源的电压V_L达到PMOS开关管的失效电压时，对整流后的振动源的电压V_L进行降压，使得PMOS开关管恢复正常工作，以保持系统正常工作。

Claims (2)

1.一种带有冷启动功能的压电能量收集系统，其特征包括：P-SSHI整流模块、电荷泵模块、冷启动模块和多输出负载模块；

所述P-SSHI整流模块包括：峰值检测单元、开关控制单元、FBR整流单元、第一电平移位器和NMOS开关管；

所述多输出负载模块包括：第一负载电容C_L、第二负载电容C_DD、PMOS开关管和负载单元；所述PMOS开关管的源极与第一负载电容C_L的一端相连，所述PMOS开关管的漏极与第二负载电容C_DD的一端相连；

所述冷启动模块包括：电压调节单元、连接控制单元和第三电平移位器；

所述压电能量收集系统的振动源由等效电流源I_P和等效电容C_P并联而成，并将所述振动源等效成两组电流源和电容组成，分别记为I₁和C₁，I₂和C₂；所述NMOS开关管的漏极和第一组电流源I₁相连，所述NMOS开关管的源极与第二组电流源I₂相连；

当所述压电能量收集系统处于冷状态时，所述压电能量收集系统由第一组电流源I₁供电；

当所述第一组电流源I₁达到过零时刻时，所述FBR整流单元对所述振动源的电压V_PT进行整流，得到整流后的电压用于给所述第一负载电容C_L和第二负载电容C_DD充电；当第二负载电容C_DD上的电压V_DD达到系统所需直流电压时，所述电荷泵模块将所述电压V_DD升压至高电平信号V_DDH，并作为三个电平移位器的移位电压；同时，所述电压调节单元输出电压调节信号Y_H给PMOS开关管的栅极，使得PMOS开关管关闭来维持第二负载电容C_DD所达到的系统所需直流电压；同时，所述连接控制单元输出连接控制信号C₀至第三电平移位器进行升压，得到升压后的连接控制信号C_H并传递给所述NMOS开关管的栅极，使得所述NMOS开关管打开，所述第一组电流源I₁和第二组电流源I₂连通，形成振动源的等效电流源I_P；

所述峰值检测单元检测到等效电流源I_P的过零时刻时输出两个开关控制信号φ₁和φ₂，并由所述第一电平移位器进行升压，得到升压后的两个开关控制信号F₁和F₂并传递给所述开关控制单元，以使所述开关控制单元中的两个开关形成一开一关的状态，从而使得所述振动源的等效电容和开关控制单元中的电感能形成LC振荡回路，用于调整所述振动源的电压V_PT；

所述FBR整流单元对调整后的振动源的电压V’_PT进行整流，得到整流后的振动源的电压V_L用于给所述第一负载电容C_L充电；

当所述整流后的振动源的电压V_L达到PMOS开关管的失效电压时，所述负载单元对所述整流后的振动源的电压V_L进行降压，使得PMOS开关管恢复正常工作，以保持系统正常工作。

2.一种带有冷启动功能的压电能量收集方法，其特征是应用于由第一负载电容C_L和第二负载电容C_DD、NMOS开关管、PMOS开关管、两个开关、一个电感和全桥整流单元所组成的系统中，且所述PMOS开关管的源极与第一负载电容C_L的一端相连，所述PMOS开关管的漏极与第二负载电容C_DD的一端相连；所述方法是按如下步骤进行：

步骤1、将由等效电流源I_P和等效电容C_P并联而成的振动源等效成两组电流源和电容，分别记为I₁和C₁，I₂和C₂；且所述NMOS开关管的漏极和第一组电流源I₁相连，所述NMOS开关管的源极与第二组电流源I₂相连；

步骤2、当第二负载电容C_DD未达到工作电压时，所述全桥整流单元获取第一组电流源I₁的电压并进行整流，得到整流后的电压用于给所述第一负载电容C_L和第二负载电容C_DD充电；

步骤3、当第二负载电容C_DD达到工作电压时，将所述第二负载电容C_DD上的电压V_DD升压至高电平信号V_DDH；同时，令PMOS开关管关闭来维持所述第二负载电容C_DD的工作电压，令所述NMOS开关管打开，使得所述第一组电流源I₁和第二组电流源I₂连通，形成振动源的等效电流源I_P；

步骤4、检测等效电流源I_P达到过零时刻时，控制两个开关形成一开一关的状态，从而使得所述振动源的等效电容和电感能形成谐振回路，用于调整所述振动源的电压V_PT；

步骤5、对调整后的振动源的电压V’_PT进行整流，得到整流后的振动源的电压V_L用于给所述第一负载电容C_L充电；

步骤6、当所述整流后的振动源的电压V_L达到PMOS开关管的失效电压时，对所述整流后的振动源的电压V_L进行降压，使得PMOS开关管恢复正常工作，以保持系统正常工作。