CN111541439A - 用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法，包括：获取开关电容的数量和所述开关电容对应的电容值；若判断所述开关电容的数量为整数且所述电容值为正数时，则对所述开关电容的数量和所述电容值进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率；根据所述最终翻转效率计算单位电容效率并显示。本发明提供的用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法通过开关电容数量和电容值预测电路效率，使得对翻转效率的计算更加全面精确，从而为开关电容电路中电容的实际取值优化提供指导和依据。

Description

用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法及装置
技术领域
本发明属于微电子科学与技术领域，具体涉及一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法及装置。
背景技术
近年来，随着IoT(物联网)技术的发展，基于IoT的无线传感器节点成为了各领域的热门研究课题。由于体积和可靠性的限制，传统锂电池供电成为无线传感器节点长期稳定工作的瓶颈，热电发生器、单太阳能电池和压电能量源等在这一方面有着很大的潜能。其中，压电能量源具有较高的功率密度，且受环境限制较小，非常适合用于IoT传感器节点的供电。然而，受制于压电器件内部寄生电容的影响，压电转换器的输出不能直接用于负载的供电。因此，压电能量获取技术的关键之一是提升压电能量获取接口电路的功率提取能力来提供更多的能量。
传统的压电能量接口电路中，由于压电器件内部存在一个较大的寄生电容CP，所以在压电器件电流IP的过零点处需要对电容CP进行反向充电，这一过程消耗了较多的能量，严重降低了压电器件的功率输出效率。现有技术提出了一种用于压电能量获取的并联同步开关电容电路，使用多个电容Cm与寄生电容CP并联，在电流IP过零点通过电容的并联储存能量并反向充电从而实现电容CP两端的电压翻转，从而减小寄生电容充放电产生的能量损失，提高了功率提取能力，且为了实现效率的最大化，通常采用与寄生电容Cp电容值相等的并联的电容Cm。
然而，这种开关电容的电容值的设定方式没有结合实际应用需求综合考虑，因此，其设定方式并不合理，也不够全面。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法及装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法，包括：
获取开关电容的数量和所述开关电容对应的电容值；
若判断所述开关电容的数量为整数且所述电容值为正数时，则对所述开关电容的数量和所述电容值进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率；
根据所述最终翻转效率计算单位电容效率并显示。
在本发明的一个实施例中，对所述开关电容的数量和所述电容值进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率包括：
对所述开关电容的数量和所述电容值进行归一化处理得到归一化电荷参量；
根据所述归一化电荷参量迭代的计算所述寄生电容电压的翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率。
在本发明的一个实施例中，所述归一化电荷参量的表达式为：
QN(j)＝X(j)*V(j)；
其中，QN(j)表示第j次迭代的归一化电荷参量，且j≥1，X(j)表示第j次迭代的电容值，V(j)表示第j次迭代的归一化电压。
在本发明的一个实施例中，所述寄生电容电压的翻转效率的计算公式为：
E(j)＝(VP+QN(j))/(1+X(j))；
其中，E(j)表示第j次迭代计算的翻转效率，VP表示归一化电压。
在本发明的一个实施例中，根据所述归一化电荷参量迭代的计算所述寄生电容电压的翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率，包括：
令V(j+1)＝E(j)，更新所述归一化电荷参量；
根据所述归一化电荷参量迭代更新所述翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率。
在本发明的一个实施例中，所述单位电容效率的计算公式为：
EPC＝E/(N*X(j))；
其中，EPC表示单位电容效率，E表示最终翻转效率，N表示开关电容的数量。
本发明的另一个实施例提供了一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测装置，包括：
数据获取模块，用于获取开关电容的数量和所述开关电容对应的电容值；
数据处理模块，连接所述数据获取模块，用于若判断所述开关电容的数量为整数且所述电容值为正数时，则对所述开关电容的数量和所述电容值进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率；
数据显示模块，连接所述数据处理模块，用于根据所述最终翻转效率计算单位电容效率并显示。
在本发明的一个实施例中，所述数据处理模块包括：
第一处理模块，用于对所述开关电容的数量和所述电容值进行归一化处理得到归一化电荷参量；
第二处理模块，用于根据所述归一化电荷参量迭代的计算所述寄生电容电压的翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法通过开关电容数量和电容值预测电路效率，使得对翻转效率的计算更加全面精确，从而为开关电容电路中电容的实际取值优化提供指导和依据；
2、本发明提供的用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法对于任意数量的开关电容以及任意的电容值均能准确预测其寄生电容翻转效率，且开关电容的数量和电容值理论上可以达到无穷大。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法流程图；
图2是本发明实施例提供的另一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法流程图；
图3是本发明实施例提供的电容数量小于等于50、电容值小于等于20倍Cp时的翻转效率计算结果图；
图4是本发明实施例提供的电容数量小于等于50、电容值小于等于20倍Cp时的单位电容效率计算结果图；
图5是本发明实施例提供的一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测装置结构示意图；
图6是根据本发明提供的开关电容电路效率预测方法指导设计的实际电路与效率预测结果对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法流程图，包括：
S1：获取开关电容的数量和所述开关电容对应的电容值。
具体地，开关电容的数量为N，N个开关电容对应的N个电容值组成一个电容值数组X(1：N)。
在本实施例中，可以取开关电容的数量N小于等于50个，电容值X小于等于20倍的寄生电容Cp。
S2：若判断所述开关电容的数量为整数且所述电容值为正数时，则对所述开关电容的数量和所述电容值进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率。
进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法流程图；首先要对获取的开关电容的数量N和电容值X进行判断，若开关电容的数量N不是整数，或者电容值X为0或者负数，则说明开关电容的数量N或电容值矩阵X不符合逻辑，不进行处理，算法结束；若开关电容的数量N为整数，且电容值X均为正数，则对开关电容的数量和电容值X进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率。
具体地，先对所述开关电容的数量和所述电容值进行归一化处理得到归一化电荷参量。
在本实施例中，所述归一化电荷参量的表达式为：
QN(j)＝X(j)*V(j)；
其中，QN(j)表示第j次迭代的归一化电荷参量，且j≥1，X(j)表示第j次迭代的电容值，V(j)表示第j次迭代的归一化电压。
然后，根据所述归一化电荷参量迭代的计算所述寄生电容电压的翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数L或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率。
在本实施例中，最大迭代次数L可以取为100。
进一步地，所述寄生电容电压的翻转效率的计算公式为：
E(j)＝(VP+QN(j))/(1+X(j))；
其中，E(j)表示第j次迭代计算的翻转效率，VP表示归一化电压。
进一步地，根据所述归一化电荷参量迭代的计算所述寄生电容电压的翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率，包括：
令V(j+1)＝E(j)，更新所述归一化电荷参量；
根据所述归一化电荷参量迭代更新所述翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率。
进一步地，翻转效率达到稳定值可以是连续经过若干次迭代之后，翻转效率保持不变，或者其变化不超过一定范围。例如，在本实施例中，当翻转效率经过连续五次地迭代更新后，其结果不变，或者变化范围小于千分之一，则可认为翻转效率达到稳定值。
S3：根据所述最终翻转效率计算单位电容效率并显示。
进一步地，所述单位电容效率的计算公式为：
EPC＝E/(N*X(j))；
其中，EPC表示单位电容效率，E表示最终翻转效率，N表示开关电容的数量。
本实施例提供的用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法通过开关电容数量和电容值预测电路效率，使得对翻转效率的计算更加全面精确，从而为开关电容电路中电容的实际取值优化提供了指导和依据。相比现有技术常采用将并联的电容的容值设置成与寄生电容的容值相等的做法以实现效率最大化，本实施例将开关电容电路效率预测结果作为参考，来设置电容的实际取值更为优化合理。
进一步地，本实施例采用2018a版的MATLAB对开关电容的数量小于等于50个、电容值小于等于20倍的Cp时的电路效率进行预测。
请参见图3～4，图3是本发明实施例提供的电容数量小于等于50、电容值小于等于20倍Cp时的翻转效率计算结果图；图4是本发明实施例提供的电容数量小于等于50、电容值小于等于20倍Cp时的单位电容效率计算结果图。
进一步地，由于实验结果数据量较大，本实施例只选取了电容数量小于等于15、电容值小于等于5倍Cp时截取的部分实验结果，如表1所示。
表1截取的部分实验结果
Figure BDA0002414055230000081
从图3中可以看出，寄生电容的翻转效率随着电容数量以及电容值的增加都呈现上升趋势，否定了为达到最大效率，开关电容值需要等于寄生电容值的传统结论；从图4中可以发现，单位电容的效率随着电容数量以及电容容值的上升不断下降，翻转效率与单位电容效率之间存在设计折中，因此本算法的预测结果能够为开关电容电路中电容的实际取值优化提供指导和依据。
由表1以及图3还可以看出，本发明提供的用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法对于任意数量的开关电容以及任意的电容值均能准确预测其寄生电容翻转效率，且开关电容的数量和电容值可以继续扩展，理论上可以达到无穷大。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测装置，请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测装置结构示意图，包括：
数据获取模块1，用于获取开关电容的数量和所述开关电容对应的电容值；
数据处理模块2，连接所述数据获取模块1，用于若判断所述开关电容的数量为整数且所述电容值为正数时，则对所述开关电容的数量和所述电容值进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率；
数据显示模块3，连接所述数据处理模块2，用于根据所述最终翻转效率计算单位电容效率并显示。
在本实施例中，所述数据处理模块2包括：
第一处理模块21，用于对所述开关电容的数量和所述电容值进行归一化处理得到归一化电荷参量；
第二处理模块22，用于根据所述归一化电荷参量迭代的计算所述寄生电容电压的翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率。
本实施例提供的开关电容电路效率预测装置可以实现上述实施例一所述的方法，具体过程参见上述实施例一，在此不再赘述。
实施例三
在上述实施例一的基础上，本实施例通过实际电路设计对本发明的效果做进一步说明。
本发明提供的开关电容电路效率预测方法对于任意数量的开关电容以及任意的电容值均能准确预测其寄生电容翻转效率，且开关电容的数量和容值可以达到理论无穷大。
进一步地，请参见图6，图6是根据本发明提供的开关电容电路效率预测方法指导设计的实际电路，考虑到预测结果中单位电容效率随着电容数量和电容值的增加而下降，压电能量获取开关电容电路中开关电容的数量和容值不能过大，因此电路中的开关电容的数量取值为4，电容值取值为10nF。将上述取值代入算法计算得到的翻转效率预测结果为66.67％。使用Cadence Virtuoso软件对上述电路的实际效率进行仿真得到的翻转效率仿真结果为66.56％，两者之间的误差仅为0.11％。考虑到实际电路器件存在寄生效应和非理想效应，开关存在导通损失和漏电，会使翻转效率稍许下降，0.11％的误差在合理范围内，本发明提供的开关电容电路效率预测方本的预测结果具有很高的准确性。同时，预测结果中单位电容效率对设计取值的折中具有很好的指导作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测方法，其特征在于，包括：
获取开关电容的数量和所述开关电容对应的电容值；
若判断所述开关电容的数量为整数且所述电容值为正数时，则对所述开关电容的数量和所述电容值进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率；
根据所述最终翻转效率计算单位电容效率并显示。
2.根据权利要求1所述的开关电容电路效率预测方法，其特征在于，对所述开关电容的数量和所述电容值进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率包括：
对所述开关电容的数量和所述电容值进行归一化处理得到归一化电荷参量；
根据所述归一化电荷参量迭代的计算所述寄生电容电压的翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率。
3.根据权利要求2所述的开关电容电路效率预测方法，其特征在于，所述归一化电荷参量的表达式为：
QN(j)＝X(j)*V(j)；
其中，QN(j)表示第j次迭代的归一化电荷参量，且j≥1，X(j)表示第j次迭代的电容值，V(j)表示第j次迭代的归一化电压。
4.根据权利要求3所述的开关电容电路效率预测方法，其特征在于，所述寄生电容电压的翻转效率的计算公式为：
E(j)＝(VP+QN(j))/(1+X(j))；
其中，E(j)表示第j次迭代计算的翻转效率，VP表示归一化电压。
5.根据权利要求4所述的开关电容电路效率预测方法，其特征在于，根据所述归一化电荷参量迭代的计算所述寄生电容电压的翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率，包括：
令V(j+1)＝E(j)，更新所述归一化电荷参量；
根据所述归一化电荷参量迭代更新所述翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率。
6.根据权利要求5所述的开关电容电路效率预测方法，其特征在于，所述单位电容效率的计算公式为：
EPC＝E/(N*X(j))；
其中，EPC表示单位电容效率，E表示最终翻转效率，N表示开关电容的数量。
7.一种用于压电能量获取的开关电容电路效率预测装置，其特征在于，包括：
数据获取模块(1)，用于获取开关电容的数量和所述开关电容对应的电容值；
数据处理模块(2)，连接所述数据获取模块(1)，用于若判断所述开关电容的数量为整数且所述电容值为正数时，则对所述开关电容的数量和所述电容值进行处理得到寄生电容电压的最终翻转效率；
数据显示模块(3)，连接所述数据处理模块(2)，用于根据所述最终翻转效率计算单位电容效率并显示。
8.根据权利要求7所述的开关电容电路效率预测装置，其特征在于，所述数据处理模块(2)包括：
第一处理模块(21)，用于对所述开关电容的数量和所述电容值进行归一化处理得到归一化电荷参量；
第二处理模块(22)，用于根据所述归一化电荷参量迭代的计算所述寄生电容电压的翻转效率，直至当前迭代次数达到预设最大迭代次数或者所述翻转效率达到稳定值，得到所述最终翻转效率。
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