CN111682748A - 一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路，涉及太阳光能量采集领域，包括环振电路、两相时钟驱动电路、线性电荷泵、片外滤波电容、片外储能电容、使能管第一PMOS管、使能管第二PMOS管、对线性电荷泵输出分压的第三PMOS管，第四PMOS管，第五PMOS管，第六PMOS管、电压基准、电流基准、迟滞比较器、第一反相器、第二反相器；本发明能够在超低电压下启动，满足较宽范围的电压输入，冷启动开始工作后，内部线性电荷泵的输出直接给片外储能电容充电，当片外储能电容存储足够的能量后，输出一个较高电压值，可以直接为后级电路供电，并且当冷启动电路输出电压超过设定值时关闭冷启动电路中的环振电路和两相时钟驱动电路，作为冷启动的过压保护。

Description

一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路

技术领域

本发明涉及能量采集冷启动电路技术领域，特别是一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路。

背景技术

开关电容DC-DC升压电路是能量采集系统中非常关键的电路，通常在光伏电池或者是热能电池能量源的能量采集应用中，该电路直接通过电荷泵抬升输入电压并输出较高的电压值，使用线性电荷泵可以进一步降低冷启动输出的电压值。区别于开关电感DC-DC，Boost变换器为了获得较高的电压增益，开关管的占空比增大，甚至接近于1，这将会导致输入电流纹波增大，增加导通损耗，降低整个电路的转换效率。低功率能量源输出的量级的电流不适合开关电感的量级的工作电流，此外开关电感DC-DC冷启动电路中采用的倍增型电荷泵的作用是提供高电压驱动开关功率NMOS管，进而对电感进行充放电，进行电荷转移。对比之下，开关电容电路不需要感性元件，能够增加芯片集成度，且开关电容电路工作电流较小适用于更低的电压启动环境。

传统的冷启动输入电压较高，以收集太阳光能量为例，光伏电池单片或多片构成的电池组工作在强光下，工作在此环境下的单片光伏电池输出电压在0.7V左右，传统冷启动电路在低电压输入下并不能完全脱离额外的电压辅助或是机械辅助，且不能解决能量采集电路自启动和自供电问题，这便限制了能量采集系统的输入范围。在实际的应用中，单片光伏电池指面积约1,光电池输出电压在0.2V-0.7V之间，在此电压范围内光电池的输出功率会经历10到10的变化，这就需要冷启动电路不仅在超低电压下完成电压抬升的功能，还要满足光伏电池宽范围输出功率的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路，本发明解决能量采集低电压的冷启动问题，通过线性电荷泵将输入电压抬升，实现从能量采集系统输入源到第一级输出的升压功能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路，包括环振电路、两相时钟驱动电路、线性电荷泵、片外滤波电容、片外储能电容、使能管第一PMOS管、使能管第二PMOS管、对线性电荷泵输出分压的第三至第六PMOS管、电压基准、电流基准、迟滞比较器、第一反相器和第二反相器；其中，

外部的片外太阳能电池的输出端即冷启动电路的输入端VIN与片外滤波电容、使能管第一PMOS管的源极、使能管第二PMOS管的源极以及线性电荷泵的电源端相连，使能管第一PMOS管的栅端与使能管第二PMOS管的栅端接入使能信号CS_EN，使能管第一PMOS管的漏极与环振电路的电源端连接，使能管第二PMOS管的漏极与两相时钟驱动电路的电源端连接，环振电路的输出端与两相时钟驱动电路的输入相连，两相时钟驱动电路的输出端与线性电荷泵的时钟输入端连接，线性电荷泵以冷启动电路的输入电压为电源，线性电荷泵的输出端与第三PMOS管的源极、电压基准的电源端、电流基准的电源端、片外储能电容的一端分别相连并作为冷启动电路的输出端，冷启动电路的输出电压为VOUT，片外储能电容的另一端接地；

电压基准、电流基准、迟滞比较器、第一反相器和第二反相器都以VOUT为电源，电压基准的输出为基准电压VREF，电流基准输出为基准电流IBIAS；

第三PMOS管的衬底接到自身源极，第三PMOS管的栅极与第三PMOS管的漏级相连，第三PMOS管的漏极与第四PMOS管的的源极连接，第四PMOS管的衬底接自身源极，第四PMOS管的栅极与第四PMOS管的漏级相连，第四PMOS管的漏极与第五PMOS管的源极、迟滞比较器的正端分别连接，第五PMOS管的衬底接到自身源极，第五PMOS管的栅极与第五PMOS管的漏级相连，第五PMOS管的漏极与第六PMOS管的源极连接，第六PMOS管的衬底接到自身源极，第六PMOS管的栅极与第六PMOS管的漏级相连并接地；

MP5的源极输出为VOUT/2，此为VOUT的二分之一电压值，电压基准的输出端与迟滞比较器的负端连接，迟滞比较器的尾电流拷贝来自于电流基准，电流基准的输出端与迟滞比较器的偏置电流端连接，迟滞比较器的输出端与第一反相器的输入端相连，第一反相器的输出端与第二反相器的输入端相连，第二反相器的输出信号CS_EN作为冷启动的使能信号、作用在第一PMOS使能管和第二PMOS使能管的栅极。

作为本发明所述的一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路进一步优化方案，电压基准为低功耗电压基准。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）此冷启动电路可以替代电池或是外部机械辅助以完成能量采集电路的自启动和自供电功能，不需要额外的电池供电就可以进行能量采集，将光伏电池转化的电荷能量储存在超级电容或是电池中；

（2）本发明所述的一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路，使用阈值电压为0.4V-0.5V的MOS管实现在电源电压低至0.2V时工作，能够帮助能量采集系统摆脱冷态，且满足宽的能量采集源电压输出范围，适用于室内弱光环境下光伏电池低电压、低功率输出的应用场景，解决低压时能量采集电路无法工作的问题；

（3）冷启动输出可直接为能量采集系统中的下一级电路供电，并通过迟滞比较器检测输出电压VOUT用来产生使能信号，用作过压及欠压保护，使得输出电压高于设定电压时关闭环振电路和两相时钟驱动电路；当输出电压低于设定电压时开启环振电路和两相时钟驱动电路，达到冷启动电路间歇工作的目的，可为能量采集系统的实际应用提供更多的实用性和可操作性。

附图说明

图1是本发明适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路的整体示意图。

图2为本发明中环振电路的内部结构示意图。

图3为本发明中两相时钟驱动电路的结构示意图。

图4为本发明中线性电荷泵的电路结构图。

图5为本发明中低功耗电压基准的电路结构图。

图6为本发明中环振电路和两相时钟驱动电路输出波形图。

图7为本发明中冷启动电路中关键信号输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本实施例中，一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路，如图1所示，包括：环振电路、两相时钟驱动电路、线性电荷泵、片外滤波电容C1、片外储能电容C2、使能管第一PMOS管MP1、使能管第二PMOS管MP2、对线性电荷泵输出分压的第三PMOS管MP3，第四PMOS管MP4，第五PMOS管MP5，第六PMOS管MP6、电压基准、电流基准、迟滞比较器、第一反相器1、第二反相器2；电压基准为低功耗电压基准。

光伏电池作为太阳光能量采集系统的能量源，初态时使能信号CS_EN为默认低电平，作用到使能管第一PMOS管、使能管第二PMOS管的栅极，此时MP1与MP2为开启导通状态，环振电路以VIN为电源，当能量源输出电压VIN满足环振电路工作要求，环振电路工作产生时钟信号CLK，此外环振产生的时钟频率跟随输入电压VIN的变化而改变，会随着VIN电压值升高而提升频率，环振电路内部MOS管的工作状态经历亚阈值区、线性区、饱和区，时钟频率也呈指数级上升，设置VIN为200mV时，环振频率为300KHz，当VIN电压升高到700mV时，环振频率抬升至160MHz。

环振电路输出CLK的频率不需要精确控制，设置为一个确定的频率值，环振时钟只为冷启动电路提供工作时钟，频率受限于光伏电池能量源的输出功率，所以环振中除了第一级使用与非门，其余的四级使用堆叠式反相器，堆叠式反相器可以加大反相器自身延迟以达到降低时钟频率的效果，此外使用堆叠式反相器还可以增大低电压供电时环振的输出摆幅，性能优于传统的由一个PMOS管和一个NMOS管构成的双管反相器结构。除此之外，环振中两级间使用NMOS电容与修调电容并联来配合堆叠式反相器用以限制高频下的时钟偏移，如图2所示，一条支路NMOS管开关管MN201串联电容C22与另一条支路NMOS管MN202构成的NMOS电容并联，NMOS管MN201的漏极与MN202的栅极相连，MN201的衬底接地，MN201的源极接电容C22的一端，C22的另一端与MN202的源极、衬底、漏极相连并接地，NMOS开关管MN201、MN203、MN205、MN207以及MN209的栅极连接VIN，当VIN比较低时，NMOS管MN201、MN203、MN205、MN207和MN209不导通，此时只有NMOS电容MN202、MN204、MN206、MN208以及MN210作为环振中的级间电容，随着VIN的升高，NMOS开关管经历亚阈值微导通到饱和区导通的状态，此方法通过NMOS开关管导通时的漏电流来限制随VIN升高带来的环振电路频率急速增加。

环振电路产生的时钟信号经过两相时钟驱动电路产生两相不交叠信号CLKA和CLKB，如图３所示，通过反相器加驱动链，使信号CLKA和CLKB有足够的驱动能力，两相时钟对开关功率管进行开-关控制，以满足线性电荷泵中飞电容快速充放电的要求，环振电路和两相时钟驱动电路输出波形图如图6所示，冷启动电路中线性电荷泵电路结构如图４所示，使用PMOS开关管的动态线性电荷泵，根据电荷守恒原理的理论推导和计算，线性电荷泵的电荷转移效率与时钟频率和内部飞电容值成正比，但是工作频率过大会带来相应的开关损耗，飞电容使用NMOS电容和工艺库中MOM类型电容组合使用，NMOS电容有更大的电容密度，通过图示中6级电荷泵结构以完成对特定电压的抬升，最终线性电荷泵对片外储能电容C2充电，将电压抬升至设定值。

由第三、第四、第五、第六PMOS管MP3、MP4、MP5和MP6构成的分压电路自VOUT产生便已经开始工作，并提供VOUT二分之一分压值，当输出电压VOUT抬升至低功耗电压基准和电流基准能够正常工作的电压值时，低功耗电压基准和电流基准为迟滞比较器提供电压基准VREF和尾电流IBIAS，低功耗电压基准电路如图5所示，待VOUT抬升至设定电压时，二分之一VOUT值超过VREF达到迟滞比较器向上翻转的迟滞量后，比较器输出信号由低电平翻转为高电平，经过第一、第二两级反相器整形和驱动后输出冷启动使能信号CS_EN,并将此信号作用到第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的栅极，进而关闭冷启动中的环振电路和两相时钟驱动电路，使冷启动电路进入睡眠模式。冷启动在睡眠模式，线性电荷泵已不再为片外储能电容C2充电，VOUT的电压值随着时间的迁移会下降，当VOUT下降到二分之一VOUT的值低于VREF达到迟滞比较器向下翻转的迟滞量后，比较器输出信号由高电平翻转为低电平，CS_EN也相应翻转为低电平，作用到第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的栅极，此时环振电路和两相时钟驱动电路工作，冷启动电路又进入工作模式，线性电荷泵工作，为片外储能电容充电，抬升输出VOUT的电压值。冷启动电路中关键信号输出波形图如图7所示。

该方法可使能量采集电路在更低的电压输入下工作，当完成第一级电压VOUT的抬升后，使冷启动进入睡眠模式，避免输出电压VOUT过高对冷启动内部电路造成损害，并降低能量采集系统功耗。此冷启动电路可以替代电池或是外部机械辅助以完成能量采集电路的自启动和自供电功能，不需要额外的电池供电就可以进行能量采集，将光伏电池转化的电荷能量储存在超级电容或是电池中。

本发明提出一种可以工作在0.2V电压下的低电压冷启动电路的设计思路和电路结构，该结构使用环振电路产生系统工作时钟CLK，再由两相时钟驱动电路产生两相不交叠信号CLKA和CLKB，两相时钟对开关功率管进行开-关控制，以满足线性电荷泵中飞电容快速充放电的要求，最终线性电荷泵对片外储能电容C2充电，将电压抬升至设定值后输出VOUT。PMOS管MP3、MP4、MP5和MP6构成的分压电路自VOUT产生便已经开始工作，并提供VOUT二分之一分压值，当输出电压VOUT抬升至低功耗电压基准和电流基准能够正常工作的电压值时，低功耗电压基准和电流基准为迟滞比较器提供电压基准VREF和尾电流IBIAS，待VOUT抬升至设定电压时，二分之一VOUT值超过VREF并达到比较器输出翻转的迟滞量后，迟滞比较器输出信号由低电平翻转为高电平，经过第一、第二两级反相器整形和驱动后输出冷启动使能信号CS_EN,并将此信号作用到第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的栅极，进而关闭冷启动中的环振电路和两相时钟驱动电路，使冷启动电路进入睡眠模式。

冷启动在睡眠模式，线性电荷泵已不再为片外储能电容C2充电，VOUT的电压值会随着时间的迁移而下降，当VOUT下降到使得二分之一VOUT的值低于VREF且达到迟滞比较器向下翻转的迟滞量后，比较器输出信号由高电平翻转为低电平，CS_EN也相应翻转为低电平，作用到第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的栅极，此时环振电路和两相时钟驱动电路工作，冷启动电路重新进入工作模式，线性电荷泵工作，为片外储能电容充电，抬升输出VOUT的电压值。该方法可使能量采集电路在更低的电压输入下工作，当完成第一级电压VOUT的抬升后，使冷启动进入睡眠模式，避免输出电压VOUT过高对冷启动内部电路造成损害，并降低能量采集系统功耗。此冷启动电路可以替代电池或是外部机械辅助以完成能量采集电路的自启动和自供电功能，不需要额外的电池供电就可以进行能量采集，将光伏电池转化的电荷能量储存在超级电容或是电池中。

本发明的特点在于：本发明所述的一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路，使用阈值电压为0.4V-0.5V的MOS管实现在电源电压低至0.2V时工作，能够帮助能量采集系统摆脱冷态，且满足宽的能量采集源电压输出范围，适用于室内弱光环境下光伏电池低电压、低功率输出的应用场景，解决低压时能量采集电路无法工作的问题。冷启动输出可直接为能量采集系统中的下一级电路供电，并通过迟滞比较器检测输出电压VOUT用来产生使能信号，用作过压及欠压保护，使得输出电压高于设定电压时关闭环振电路和两相时钟驱动电路；当输出电压低于设定电压时开启环振电路和两相时钟驱动电路，达到冷启动电路间歇工作的目的，可为能量采集系统的实际应用提供更多的实用性和可操作性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路，其特征在于，包括环振电路、两相时钟驱动电路、线性电荷泵、片外滤波电容、片外储能电容、使能管第一PMOS管、使能管第二PMOS管、对线性电荷泵输出分压的第三至第六PMOS管、电压基准、电流基准、迟滞比较器、第一反相器和第二反相器；其中，

外部的片外太阳能电池的输出端即冷启动电路的输入端VIN与片外滤波电容、使能管第一PMOS管的源极、使能管第二PMOS管的源极以及线性电荷泵的电源端相连，使能管第一PMOS管的栅端与使能管第二PMOS管的栅端接入使能信号CS_EN，使能管第一PMOS管的漏极与环振电路的电源端连接，使能管第二PMOS管的漏极与两相时钟驱动电路的电源端连接，环振电路的输出端与两相时钟驱动电路的输入相连，两相时钟驱动电路的输出端与线性电荷泵的时钟输入端连接，线性电荷泵以冷启动电路的输入电压为电源，线性电荷泵的输出端与第三PMOS管的源极、电压基准的电源端、电流基准的电源端、片外储能电容的一端分别相连并作为冷启动电路的输出端，冷启动电路的输出电压为VOUT，片外储能电容的另一端接地；

电压基准、电流基准、迟滞比较器、第一反相器和第二反相器都以VOUT为电源，电压基准的输出为基准电压VREF，电流基准输出为基准电流IBIAS；

第三PMOS管的衬底接到自身源极，第三PMOS管的栅极与第三PMOS管的漏级相连，第三PMOS管的漏极与第四PMOS管的的源极连接，第四PMOS管的衬底接自身源极，第四PMOS管的栅极与第四PMOS管的漏级相连，第四PMOS管的漏极与第五PMOS管的源极、迟滞比较器的正端分别连接，第五PMOS管的衬底接到自身源极，第五PMOS管的栅极与第五PMOS管的漏级相连，第五PMOS管的漏极与第六PMOS管的源极连接，第六PMOS管的衬底接到自身源极，第六PMOS管的栅极与第六PMOS管的漏级相连并接地；

MP5的源极输出为VOUT/2，此为VOUT的二分之一电压值，电压基准的输出端与迟滞比较器的负端连接，迟滞比较器的尾电流拷贝来自于电流基准，电流基准的输出端与迟滞比较器的偏置电流端连接，迟滞比较器的输出端与第一反相器的输入端相连，第一反相器的输出端与第二反相器的输入端相连，第二反相器的输出信号CS_EN作为冷启动的使能信号、作用在第一PMOS使能管和第二PMOS使能管的栅极。

2.根据权利要求1所述的一种适用于室内太阳光的能量采集低电压冷启动电路，其特征在于，电压基准为低功耗电压基准。

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