CN111865075A

CN111865075A - 一种适用于光能收集结构的升压变换电路

Info

Publication number: CN111865075A
Application number: CN202010731314.4A
Authority: CN
Inventors: 程心; 张云峰; 张章; 张永强
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: CN111865075B

Abstract

本发明公开了一种适用于光能收集结构的升压变换电路，包括主电荷泵单元、主振荡器单元、第二电平移位器以及非重叠时钟产生单元，所述主电荷泵单元包括六阶可重构电荷泵，第一阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵顺次连接，每一阶可重构电荷泵的输入端和输出端通过增强型开关连接，所述主振荡器单元的输入端接收控制信号，主振荡器单元的输出端与非重叠时钟产生单元的输入端连接，非重叠时钟产生单元、第二电平移位器以及主振荡器单元顺次连接；本发明的优点在于：系统功耗较低，系统工作效率和转换效率较高。

Description

一种适用于光能收集结构的升压变换电路

技术领域

本发明涉及电源管理芯片领域，更具体涉及一种适用于光能收集结构的升压变换电路。

背景技术

传统的光能收集结构基本是一个独立的光伏电池加一个带有电源管理单元的CMOS芯片组合而成。但是对于可植入式设备，单独的光伏电池相对芯片来说面积大、成本高，因此有研究通过将光伏电池和CMOS电路集成在同一硅衬底上，以此来节约面积降低成本并提高光伏电池效率，但是这种方法也导致了光伏微能量收集电路的其他几个问题。首先，对于片上光伏电池，其输出功率可能会低至几纳瓦，这使得系统在没有外部控制信号或相应冷启动结构的情况下很难正常工作。其次，这种结构的微能量收集系统输出的电压通常不够高，无法为负载设备提供正常工作所需的稳定供电电压。另外该结构组成的系统能量收集效率并不高，需要进一步改进内部结构及优化相关参数，以提高系统收集效率。

电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)，其属于光能收集结构中的重要电路，其电路设计直接影响光能收集结构的系统效率。

中国专利申请号CN201810475387.4，公开了一种无线传感器的混合能量收集装置和运行方法，本装置包括太阳能和风能收集子系统，还有中心处理器、PWM和储能电容。中心处理器控制两个子系统，收集的太阳能和风能存储于储能电容，为无线传感器节点供电。其运行方法为光伏电池和风力发电机分别将太阳能和风能转换为电能，分别存于太阳能存储模块和风能存储模块，所存电能达到最大，输出至储能电容。同时中心处理器根据光伏电池输出电压运行模糊逻辑控制方法，使光伏电池工作于最大功率点，同时中心处理器根据风力发电机的当前功率运行局部优化方法，调整风力发电机转速，使风力发电机工作于最大功率点。该专利申请同时收集光能和风能，为无线传感器网络提供能源，持续可靠工作。但是其并没有设计电荷泵，系统功耗较高，系统工作效率和转换效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术的光能收集结构并没有设计电荷泵，导致系统功耗较高，系统工作效率和转换效率较低。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种适用于光能收集结构的升压变换电路，包括主电荷泵单元、主振荡器单元、第二电平移位器以及非重叠时钟产生单元，所述主电荷泵单元包括六阶可重构电荷泵，第一阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵顺次连接，每一阶可重构电荷泵的输入端和输出端通过增强型开关连接，所述主振荡器单元的输入端接收控制信号，主振荡器单元的输出端与非重叠时钟产生单元的输入端连接，非重叠时钟产生单元、第二电平移位器以及主振荡器单元顺次连接。

本发明主电荷泵单元采用增强型开关结构电荷泵，使用增强型开关代替普通开关，在电荷泵时钟信号变换时可以实现节点之间电荷的完全转移，减少每一阶之间的漏电流，与传统电荷泵相比大大减少了跨阶漏电流，从而降低了电荷泵功耗，提高系统工作效率和转换效率。

进一步地，所述第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵均包括第一电荷泵基础单元和若干个增强型开关，第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵均包括第二电荷泵基础单元和若干个增强型开关，每个第一电荷泵基础单元的输入端与输出端之间连接一个增强型开关，每个第二电荷泵基础单元的输入端与输出端之间连接一个增强型开关。

进一步地，所述第一电荷泵基础单元包括第一开关管至第四开关管以及第一电容，第一开关管的源极接第一电容的一端，第一电容的另一端接第二开关管的漏极以及第三开关管的源极，第四开关管的漏极接第二开关管的源极，第四开关管的源极接第一开关管的漏极；每个第一开关管的源极和漏极之间连接一个增强型开关；第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中第一开关管的漏极均连接到一起，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中第三开关管的漏极均连接到一起，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中第四开关管的源极均连接到一起；第一阶可重构电荷泵至中第一开关管的漏极与第四开关管的源极的连接线上输入光伏电压V_PD。

进一步地，所述第二电荷泵基础单元包括第五开关管、第六开关管以及第二电容，所述第二电容的一端接第五开关管的源极和第六开关管的漏极，第四阶可重构电荷泵中第五开关管的漏极接第三阶可重构电荷泵中第三开关管的漏极，第四阶可重构电荷泵中第六开关管的源极接第三阶可重构电荷泵中第四开关管的源极；第四阶可重构电荷泵中第二电容的另一端与第三阶可重构电荷泵中第一开关管的源极之间接一个增强型开关；第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵中，所有的第五开关管的漏极均连接在一起，所有的第六开关管的源极均连接在一起，每一阶可重构电荷泵中第二电容的另一端与其相邻的可重构电荷泵中第二电容的另一端之间连接一个增强型开关；第六阶可重构电荷泵中第二电容的另一端接一个增强型开关。

进一步地，所述增强型开关包括第七开关管、第八开关管以及第九开关管，所述第七开关管的漏极与第八开关管的漏极连接并接第九开关管的栅极，第七开关管的源极接第九开关管的漏极；第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中每个第一开关管的源极接第九开关管的源极，每个第一开关管的漏极接第九开关管的漏极；第四阶可重构电荷泵中第九开关管的源极接第三阶可重构电荷泵中第九开关管的源极，第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵中每个第九开关管的源极接其下一阶可重构电荷泵中第八开关管的漏极；第六阶可重构电荷泵中，第二电容的另一端接第七开关管的源极以及第九开关管的漏极，第九开关管的源极作为主电荷泵单元的输出端输出电压V_CP。

进一步地，所述主电荷泵单元还包括飞跨电容子电路，所述飞跨电容子电路包括飞跨电容、第十开关管以及驱动开关，所述驱动开关的一端通过飞跨电容与第十开关管的漏极连接；第二阶可重构电荷泵接一组飞跨电容子电路，第三阶可重构电荷泵接两组飞跨电容子电路，第一电容的一端接两组飞跨电容子电路的驱动开关的另一端，第一电容的另一端接每组飞跨电容子电路的第十开关管的源极；第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵均接四组飞跨电容子电路，第二电容的一端接每组飞跨电容子电路的第十开关管的源极，第二电容的另一端接每组飞跨电容子电路的驱动开关的另一端。

进一步地，所述主电荷泵单元还包括极板间寄生电容和第二开关，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中每个第一电容的另一端均接一个极板间寄生电容的一端，每个极板间寄生电容的另一端均接地；第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵中每个第二电容的一端均接一个极板间寄生电容的一端，每个极板间寄生电容的另一端均接地；第一阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端与第二阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端之间接一个第二开关；第三阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端与第四阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端之间接一个第二开关；第五阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端与第六阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端之间接一个第二开关。

本发明的优点在于：

1.本发明主电荷泵单元采用增强型开关结构电荷泵，使用增强型开关代替普通开关，在电荷泵时钟信号变换时可以实现节点之间电荷的完全转移，减少每一阶之间的漏电流，与传统电荷泵相比大大减少了跨阶漏电流，从而降低了电荷泵功耗，提高系统工作效率和转换效率。

2.本发明在主电荷泵单元中采用电荷复用技术，每次各阶飞跨电容正常充电或者放电之前，极板间寄生电容的电压幅值都会被平衡到V_PD/2，使得对极板间寄生电容充电所需要的电荷只有原先的一半，因此使得电荷泵飞跨电容的极板间寄生电容充放电而导致的动态功耗大大降低，从而使得电荷泵功耗降低，转换效率增加。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种适用于光能收集结构的升压变换电路中主电荷泵单元的示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种适用于光能收集结构的升压变换电路中主升压变换器模块的原理图；

图3为本发明实施例所提供的一种使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统的结构框图；

图4为本发明实施例所提供的一种使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统中片上光伏电池等效模块；

图5为本发明实施例所提供的一种使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统中连续MPPT模块原理图；

图6为本发明实施例所提供的一种使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统中辅助升压变换器模块的结构示意图；

图7为本发明实施例所提供的一种使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统的辅助升压变换器模块中每一阶电荷泵内部电路原理图；

图8为本发明实施例所提供的一种使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统中控制信号产生模块的原理图；

图9为本发明实施例所提供的一种使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统中电压调节模块的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1结合图2所示，一种适用于光能收集结构的升压变换电路5包括主电荷泵单元501、主振荡器单元502、第二电平移位器503以及非重叠时钟产生单元504，所述主电荷泵单元501包括六阶可重构电荷泵，第一阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵顺次连接，每一阶可重构电荷泵的输入端和输出端通过增强型开关8连接，所述主振荡器单元502的输入端接收控制信号，主振荡器单元502的输出端与非重叠时钟产生单元504的输入端连接，非重叠时钟产生单元504、第二电平移位器503以及主振荡器单元502顺次连接。

继续参照图1，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵均包括第一电荷泵基础单元7和若干个增强型开关8，第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵均包括第二电荷泵基础单元9和若干个增强型开关8，每个第一电荷泵基础单元7的输入端与输出端之间连接一个增强型开关8，每个第二电荷泵基础单元9的输入端与输出端之间连接一个增强型开关8。

所述第一电荷泵基础单元7包括第一开关管71至第四开关管74以及第一电容75，第一开关管71的源极接第一电容75的一端，第一电容75的另一端接第二开关13管72的漏极以及第三开关管73的源极，第四开关管74的漏极接第二开关13管72的源极，第四开关管74的源极接第一开关管71的漏极；每个第一开关管71的源极和漏极之间连接一个增强型开关8；第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中第一开关管71的漏极均连接到一起，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中第三开关管73的漏极均连接到一起，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中第四开关管74的源极均连接到一起；第一阶可重构电荷泵至中第一开关管71的漏极与第四开关管74的源极的连接线上输入光伏电压V_PD。

所述第二电荷泵基础单元9包括第五开关管91、第六开关管92以及第二电容93，所述第二电容93的一端接第五开关管91的源极和第六开关管92的漏极，第四阶可重构电荷泵中第五开关管91的漏极接第三阶可重构电荷泵中第三开关管73的漏极，第四阶可重构电荷泵中第六开关管92的源极接第三阶可重构电荷泵中第四开关管74的源极；第四阶可重构电荷泵中第二电容93的另一端与第三阶可重构电荷泵中第一开关管71的源极之间接一个增强型开关8；第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵中，所有的第五开关管91的漏极均连接在一起，所有的第六开关管92的源极均连接在一起，每一阶可重构电荷泵中第二电容93的另一端与其相邻的可重构电荷泵中第二电容93的另一端之间连接一个增强型开关8；第六阶可重构电荷泵中第二电容93的另一端接一个增强型开关8。

所述增强型开关8包括第七开关管81、第八开关管82以及第九开关管83，所述第七开关管81的漏极与第八开关管82的漏极连接并接第九开关管83的栅极，第七开关管81的源极接第九开关管83的漏极；第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中每个第一开关管71的源极接第九开关管83的源极，每个第一开关管71的漏极接第九开关管83的漏极；第四阶可重构电荷泵中第九开关管83的源极接第三阶可重构电荷泵中第九开关管83的源极，第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵中每个第九开关管83的源极接其下一阶可重构电荷泵中第八开关管82的漏极；第六阶可重构电荷泵中，第二电容93的另一端接第七开关管81的源极以及第九开关管83的漏极，第九开关管83的源极作为主电荷泵单元501的输出端输出电压V_CP。

所述主电荷泵单元501还包括飞跨电容子电路11，所述飞跨电容子电路11包括飞跨电容111、第十开关管112以及驱动开关113，所述驱动开关113的一端通过飞跨电容111与第十开关管112的漏极连接；第二阶可重构电荷泵接一组飞跨电容子电路11，第三阶可重构电荷泵接两组飞跨电容子电路11，第一电容75的一端接两组飞跨电容子电路11的驱动开关113的另一端，第一电容75的另一端接每组飞跨电容子电路11的第十开关管112的源极；第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵均接四组飞跨电容子电路11，第二电容93的一端接每组飞跨电容子电路11的第十开关管112的源极，第二电容93的另一端接每组飞跨电容子电路11的驱动开关113的另一端。

所述主电荷泵单元501还包括极板间寄生电容12和第二开关13，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中每个第一电容75的另一端均接一个极板间寄生电容12的一端，每个极板间寄生电容12的另一端均接地；第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵中每个第二电容93的一端均接一个极板间寄生电容12的一端，每个极板间寄生电容12的另一端均接地；第一阶可重构电荷泵的极板间寄生电容12的一端与第二阶可重构电荷泵的极板间寄生电容12的一端之间接一个第二开关13；第三阶可重构电荷泵的极板间寄生电容12的一端与第四阶可重构电荷泵的极板间寄生电容12的一端之间接一个第二开关13；第五阶可重构电荷泵的极板间寄生电容12的一端与第六阶可重构电荷泵的极板间寄生电容12的一端之间接一个第二开关13。

以上图1是为了解释清楚主电荷泵单元501的器件连接关系，以下图2为了清楚的描述主电荷泵单元501的工作原理，对每个器件用字母进行标号并且在每个管上标注驱动电压，描述工作原理和过程。如图2所示，当V_EN为高电平时，NMOS管N7导通，主振荡器单元502开始启动，在光伏电压V_PD及偏置电压V_BIAS的控制之下，产生相应频率的互补时钟信号Φ₀与Φ’₀，在五个工作区域内频率范围大概为100Hz至150kHz，其电压幅值为V_PD。接着，互补时钟信号Φ₀与Φ’₀输入到非重叠时钟产生单元504，输出非重叠时钟信号Φ₁、Φ’₁、Φ₂、Φ’₂，然后经过第二电平移位器503得到高电平时钟信号Φ_1H、Φ’_1H、Φ_2H、Φ’_2H，它们的电压幅值等于第二电平移位器503的电源电压即V_CPA，然后将高电平时钟信号Φ_1H和Φ_2H经由或非逻辑门NOR处理得到高电平时钟信号Φ_3H，它的电压幅值也等于V_CPA。将Φ_1H、Φ’_1H、Φ_2H、Φ’_2H、Φ_3H提供给主电荷泵单元501作为开关控制信号。

主电荷泵单元501是由Dickson电荷泵构成的可重构的六阶电荷泵，并在每一阶电荷泵之间使用增强型开关代替普通开关以减少每一阶之间的漏电流，同时采用电荷复用技术以减少电荷泵飞跨电容的极板寄生电容充放电而导致的动态功耗。主电荷泵单元501包括KN₀-KN₇共八个节点，KN₀为输入节点，KN₁-KN₆分别为第一阶至第六阶电荷泵节点，KN₇为输出节点，而C_S为储能电容。根据连续MPPT模块2输出电压V_T25H、V_T31H、V_T37H、V_T42H、V’_T25H、V’_T31H、V’_T37H、V’_T42H来调节主电荷泵单元501的输出电压增益和每一阶电荷泵的飞跨电容的容值，当工作在第一区域即V_PD小于0.25V时，V_T25H、V_T31H、V_T37H、V_T42H均为低电平，开关管SN1、SN3、SN5截止，开关管SN2、SN4、SN6导通，KN₁-KN₆节点的电荷泵均正常工作，主电荷泵单元501输出电压增益为七倍，且每一阶电荷泵的飞跨电容的容值最小；当工作在第二区域即V_PD在0.25V至0.31V时，V_T25H为高电平，V_T31H、V_T37H、V_T42H均为低电平，开关管SN2、SN3、SN5截止，开关管SN1、SN4、SN6导通，KN₁节点的电荷泵不工作，KN₂-KN₆节点的电荷泵正常工作，主电荷泵单元501输出电压增益为六倍；同理，当工作在第三区域即V_PD在0.31V至0.37V时，输出电压增益为五倍，当工作在第四区域即V_PD在0.37V至0.42V时，输出电压增益为四倍，当工作在第五区域即V_PD大于0.42V时，输出电压增益仍为四倍。

本发明使用增强型开关代替每一阶电荷泵之间的普通开关，共使用七个增强型开关，第一个是由MOS管M1、M2、M3构成，第二个是由MOS管M4、M5、M6构成，第三个是由MOS管M7、M8、M9构成，第四个是由MOS管M10、M11、M12构成，第五个是由MOS管M13、M14、M15构成，第六个是由MOS管M16、M17、M18构成，第七个是由MOS管M19、M20、M21构成，其中MOS管M2、M5、M8、M11、M14、M16、M20是PMOS管，其余均为NMOS管。当Φ_1H为低电平即Φ_2H为高电平时，MOS管M2导通MOS管M3截止，所以MOS管M1导通；MOS管M5截止MOS管M6导通所以MOS管M4截止；MOS管M8导通，MOS管M9截止，所以MOS管M7导通；MOS管M11截止，MOS管M12导通，所以MOS管M10截止；MOS管M14导通，MOS管M15截止，所以MOS管M13导通；MOS管M17截止，MOS管M18导通，所以MOS管M16截止；MOS管M20导通，MOS管M21截止，所以MOS管M19导通，此时KN0节点向KN1节点充电，KN2节点向KN3节点充电，KN4节点向KN5节点充电，KN6节点向KN7节点充电。当Φ_1H为高电平即Φ_2H为低电平时，MOS管M2截止，MOS管M3导通，所以MOS管M1截止；MOS管M5导通，MOS管M6截止，所以MOS管M4导通；MOS管M8截止，MOS管M9导通，所以MOS管M7截止；MOS管M11导通，MOS管M12截止，所以MOS管M10导通；MOS管M14截止，MOS管M15导通，所以MOS管M13截止；MOS管M17导通，MOS管M18截止，所以MOS管M16导通；MOS管M20截止，MOS管M21导通，所以MOS管M19截止，此时KN1节点向KN2节点充电，KN3节点向KN4节点充电，KN5节点向KN6节点充电。这种增强型开关相比于普通开关，在电荷泵时钟信号变换时可以实现节点之间电荷的完全转移，使得每一阶电荷泵之间的漏电流显著减少。

本发明还使用电荷复用技术以减少电荷泵飞跨电容的极板寄生电容充放电而导致的动态功耗。由于实际电路中电荷泵的各阶飞跨电容始终存在极板寄生电容，本发明在主电荷泵单元501中加入等效的极板寄生电容C_a1、C_a2、C_a3、C_a4、C_a5、C_a6分别为KN₁、KN₂、KN₃、KN₄、KN₅、KN₆节点的飞跨电容的极板寄生电容，在电荷泵工作过程中，随着时钟信号的变化，极板寄生电容被充电，直到其电压幅值等于V_PD，然后又放电直到其电压幅值等于0V，一直重复着该过程，而极板寄生电容充放电的这部分电荷实际上是被浪费掉了。本发明通过非重叠的高电平时钟信号Φ_1H和Φ_2H经由或非逻辑门NOR处理得到高电平时钟信号Φ_3H，即当Φ_1H和Φ_2H均为低电平时，Φ_3H为高电平，此时各阶飞跨电容处于既不充电也不放电的状态，Φ_3H为高电平使得第二开关S₁、S₂、S₃闭合，C_a1与C_a2连接，C_a3与C_a4连接，C_a5与C_a6连接，使得C_a1、C_a2、C_a3、C_a4、C_a5、C_a6的电压幅值平衡为V_PD/2；当Φ_1H或者Φ_2H变为高电平时，Φ_3H变为低电平，第二开关S₁、S₂、S₃断开，各阶飞跨电容恢复充电或者放电的状态，此时极板寄生电容的电压幅值只需从V_PD/2被充电到V_PD，或者从V_PD/2放电到0V；这样，每次各阶飞跨电容正常充电或者放电之前，极板寄生电容的电压幅值都会被平衡到V_PD/2，使得对极板寄生电容充电所需要的电荷只有原先的一半，因此使得电荷泵飞跨电容的极板寄生电容充放电而导致的动态功耗大大降低。

本发明提供的一种适用于光能收集结构的升压变换电路应用于使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统，为了更清楚的展示本发明的工作过程和应用场景，以下对使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统进行介绍，如图3所示，微能量收集系统包括片上光伏电池等效模块1、连续MPPT模块2、辅助升压变换器模块3、控制信号产生模块4、适用于光能收集结构的升压变换电路5以及电压调节模块6，所述片上光伏电池等效模块1分别与连续MPPT模块2、辅助升压变换器模块3以及适用于光能收集结构的升压变换电路5连接，连续MPPT模块2、辅助升压变换器模块3、控制信号产生模块4、适用于光能收集结构的升压变换电路5以及电压调节模块6顺次连接。片上光伏电池等效模块1在环境光照条件下产生光伏电压V_PD，输入到连续MPPT模块2产生偏置电压V_BIAS；以光伏电压V_PD为电源电压，根据偏置电压V_BIAS控制，辅助升压变换器模块3产生互补时钟信号Φ与Φ’并输出电压V_CPA，输出电压V_CPA输入到控制信号产生模块4，产生输出电压信号V_EN控制适用于光能收集结构的升压变换电路5启动或关闭，产生输出电压信号V_DIS控制辅助升压变换器模块3启动或关闭；连续MPPT模块2根据光伏电压V_PD产生高电平输出电压供给适用于光能收集结构的升压变换电路5；适用于光能收集结构的升压变换电路5以光伏电压V_PD为输入电压，产生输出电压V_CP输入给电压调节模块6，电压调节模块6产生稳定的输出电压V_out，为负载供电。以下详细介绍每个模块的结构以及工作过程。

如图4所示，片上光伏电池等效模块1包括等效电流源I_ph、等效二极管D_d、光电二极管的结电容C_ph、模拟制造缺陷的分流电阻R_sh以及电阻R_s。等效电流源I_ph的正端分别与等效二极管D_d的阳极、结电容C_ph的一端、分流电阻R_sh的一端以及电阻R_s的一端连接，等效电流源I_ph的负端分别与等效二极管D_d的阴极、结电容C_ph的另一端、分流电阻R_sh的另一端以及电阻R_s的另一端连接。等效电流源I_ph表示光伏电池在环境光照下产生的光生电流，本发明设置在光照强度为30klux时，I_ph值为10μA；I_d为流过等效二极管D_d的电流，I_sh为流过电阻R_sh的电流。片上光伏电池等效模块1模拟在不同光照强度条件下产生不同的输出电流I_PD，并输出光伏电压V_PD，其中，电阻R_s的另一端输出电流I_PD，电阻R_s的另一端与分流电阻R_sh的另一端之间的电压为光伏电压V_PD。

图3结合图5，连续MPPT技术使得片上光伏电池等效模块1与其他模块之间一直处于连接状态，与不连续MPPT技术相比功耗更低。所述连续MPPT模块2包括电压检测单元201、第一电平移位器202以及自调节参考电流产生单元203，所述电压检测单元201的输出端与第一电平移位器202的输入端连接，电压检测单元201以及自调节参考电流产生单元203的输入端均与片上光伏电池等效模块1的输出端连接。其中电压检测单元201包括四个不同触发电压的电平检测器，分别为0.25V、0.31V、0.37V、0.42V，将连续MPPT模块2分为五个不同的工作区域，小于0.25V是第一区域，0.25V至0.31V是第二区域，0.31V至0.37V是第三区域，0.37V至0.42V是第四区域，大于0.42V是第五区域。电压检测单元201对光伏电压V_PD进行检测，判断对应的工作区域，并输出标志电压V_T25、V_T31、V_T37、V_T42及它们的反向电压V’_T25、V’_T31、V’_T37、V’_T42。然后将这些电压输入到第一电平移位器202，并输出高电平输出电压包括V_T25H、V_T31H、V_T37H、V_T42H、V’_T25H、V’_T31H、V’_T37H、V’_T42H供给后续的适用于光能收集结构的升压变换电路5和控制信号产生模块4。

另外，继续参阅图5，所述自调节参考电流产生单元203包括PMOS管P1、NMOS管N1和NMOS管N2，PMOS管P1的源极接收光伏电压V_PD，PMOS管P1的漏极与NMOS管N1的漏极连接，其连接线上的电流为参考电流I_ref，NMOS管N1的源极与NMOS管N2的漏极连接，NMOS管N2的源极接地，PMOS管P1、NMOS管N1以及NMOS管N2的栅极均连接，PMOS管P1的漏极与栅极连接且PMOS管P1的栅极处的电压为偏置电压V_BIAS，偏置电压V_BIAS提供给辅助升压变换器模块3和适用于光能收集结构的升压变换电路5。自调节参考电流产生单元203主要是根据输入的光伏电压V_PD产生参考电流I_ref，并产生偏置电压V_BIAS提供给辅助升压变换器模块3和适用于光能收集结构的升压变换电路5。

图3结合图6，所述辅助升压变换器模块3包括辅助电荷泵单元301和辅助振荡器单元302，所述辅助电荷泵单元301的输入端与电压检测单元201的输出端连接，辅助振荡器单元302的输入端与自调节参考电流产生单元203的输出端连接，辅助振荡器单元302的输出端与辅助电荷泵单元301的输入端连接。首先，当光伏电压V_PD随着光照强度增加而升高到0.17V时，辅助振荡器单元302启动，并在输入的光伏电压V_PD及偏置电压V_BIAS的控制之下，产生相应频率的互补时钟信号Φ与Φ’，在五个工作区域内频率范围大概为1.5kHz至500kHz，其电压幅值为V_PD。接着，辅助振荡器单元302产生互补时钟信号Φ与Φ’输入到每一阶电荷泵，辅助电荷泵单元301是采用开关自举技术的Pelliconi电荷泵构成的八阶电荷泵，每一阶电荷泵接收片上光伏电池等效模块1输出的光伏电压V_PD，第八阶电荷泵输出电压V_CPA。每一阶电荷泵的电路结构完全相同，以其中一阶电荷泵为例进行说明。

如图7所示，每一阶电荷泵的电路结构完全相同，每一阶电荷泵包括四个编号为N、N’、Nb、N’b的NMOS管、四个编号为P、P’、Pb、P’b的PMOS管、两个飞跨电容C、C’、四个编号为C_n、C’_n、C_p、C’_p的转移电容以及四个编号为N3至N6的NMOS管，Nb、N’b、C_n、C’_n构成一个电容型电平转换器，Pb、P’b、C_p、C’_p构成另一个电容型电平转换器，使得NMOS管N、NMOS管N’、PMOS管P以及PMOS管P’的栅极和源极施加的电压与电荷泵节点无关，而由互补时钟信号Φ与Φ’的电压幅值V_PD控制。

NMOS管N的源极、NMOS管Nb的源极、NMOS管的漏极N’以及NMOS管N’b的漏极均连接且该连接节点作为输入端与上一阶电荷泵连接，NMOS管N的栅极与NMOS管Nb的漏极连接，NMOS管N’的栅极与NMOS管N’b的源极连接；PMOS管P的源极、PMOS管Pb的源极、PMOS管P’的漏极以及PMOS管P’b的漏极均连接且该连接节点作为输出端与下一阶电荷泵连接，PMOS管P的栅极与PMOS管Pb的漏极连接，PMOS管P’的栅极与PMOS管P’b的源极连接；NMOS管N的漏极与PMOS管P的漏极连接并通过飞跨电容C分别接NMOS管N3的源极和NMOS管N4的漏极；NMOS管N’的源极与PMOS管P’的源极连接并通过飞跨电容C’分别接NMOS管N5的源极和NMOS管N6的漏极；NMOS管N4以及NMOS管N6的栅极均接收时钟信号Φ，NMOS管N3以及NMOS管N5的栅极均接收时钟信号Φ’，NMOS管N4的源极以及NMOS管N5的漏极均接收光伏电压V_PD。

NMOS管N的栅极电压在时钟信号Φ为高电平时为V_IN，在时钟信号Φ为低电平时为V_IN+V_PD，NMOS管P的栅极电压在时钟信号Φ为高电平时为V_O-V_PD，在时钟信号Φ为低电平时为V_O，即时钟信号Φ为低电平时NMOS管N和PMOS管P’导通，时钟信号Φ为高电平时PMOS管P和NMOS管N’导通，时钟信号Φ由低电平变为高电平瞬间可以得到等式V_O＝V_IN+V_PD，即每一阶电荷泵输出电压比输入电压增加V_PD。辅助电荷泵单元301的输入电压即为光伏电压V_PD，经过八阶电荷泵升压之后，辅助升压变换器模块3得到九倍V_PD的输出电压V_CPA。开关自举技术可以控制栅极电压的变化和开关转换的时间，提高了驱动能力并减少短路损耗。

图3结合图8，所述第一电平移位器202的输出端以及辅助电荷泵单元301的输出端均与控制信号产生模块4的输入端连接，所述控制信号产生模块4的一个输出端与辅助振荡器单元302的输入端连接。如图8，所述控制信号产生模块4包括第一开关K1、第一开关K2、异或门YH1、反相器F1、顺序编号的四个二选一多路选择器XZ1至XZ4、顺序编号的六个不同触发电压的电平检测器V1至V6，电平检测器V1至V6的触发电压分别为1.1V、1.3V、1.5V、1.7V、1.9V、2.1V，所述电平检测器V1和电平检测器V2的输入端、第一开关K1的一端以及第一开关K2的一端均接收辅助升压变换器模块3的输出电压V_CPA，电平检测器V3和电平检测器V4的输入端连接并接第一开关K1的另一端，第一开关K1的触发端接异或门YH1的输出端，异或门YH1的两个输入端分别接收第一电平移位器202输出的高电平输出电压V_T31H和V_T37H；电平检测器V5和电平检测器V6的输入端连接并接第一开关K2的另一端，第一开关K2的触发端接收第一电平移位器202输出的高电平输出电压V_T37H；第一开关为一类开关，K1、K2为区分两个第一开关的标号。

多路选择器XZ1的第一输入端与电平检测器V1的输出端连接，多路选择器XZ2的第一输入端与电平检测器V2的输出端连接，多路选择器XZ3的第一输入端与电平检测器V3的输出端连接，多路选择器XZ3的第二输入端与电平检测器V5的输出端连接；多路选择器XZ4的第一输入端与电平检测器V4的输出端连接，多路选择器XZ4的第二输入端与电平检测器V6的输出端连接；多路选择器XZ3的输出端与多路选择器XZ1的第二输入端连接；多路选择器XZ4的输出端与多路选择器XZ2的第二输入端连接；多路选择器XZ1以及多路选择器XZ2的通道选择端均接收第一电平移位器202输出的高电平输出电压V_T31H；多路选择器XZ3以及多路选择器XZ4的通道选择端均接收第一电平移位器202输出的高电平输出电压V_T37H；反相器F1的输入端与多路选择器XZ2的输出端连接，反相器F1的输出端输出电压信号V_DIS，多路选择器XZ1的输出端输出电压信号V_EN。

本发明的控制信号产生模块4的作用主要是产生V_EN与V_CPA用来控制主振荡器单元502与辅助振荡器单元302，当本发明的系统输出电压满足负载需求时，关闭辅助振荡器单元302或主振荡器单元502，而在不满足负载需求时重新启动辅助振荡器单元302或主振荡器单元502，以降低系统的总功耗。本发明控制信号产生模块4根据光伏电压V_PD的大小将控制信号产生模块4分为三种情况，当光伏电压V_PD小于0.31V时，设置其下限电压为1.1V，上限电压为1.3V；当光伏电压V_PD处于0.31V至0.37V之间时，设置其下限电压为1.5V，上限电压为1.7V；当光伏电压V_PD大于0.37V时，设置其下限电压为1.9V，上限电压为2.1V。在第一种情况下，光伏电压V_PD小于0.31V，第一电平移位器202输出的高电平输出电压V_T31H、V_T37H均为低电平，四个二选一多路选择器最终选择电平检测器V1和电平检测器V2进行输出，当输入的V_CPA小于1.1V时，电平检测器V1和电平检测器V2均为低电平，因此输出电压V_EN为低电平，输出电压信号V_DIS为高电平，主振荡器单元502关闭，辅助振荡器单元302启动；由于辅助振荡器单元302启动，V_CPA继续升高，当输入的V_CPA大于1.1V且小于1.3V时，电平检测器V₁为高电平，电平检测器V₂为低电平，因此输出电压V_EN为高电平，输出电压信号V_DIS为高电平，主振荡器单元502启动，辅助振荡器单元302启动，此时适用于光能收集结构的升压变换电路5开始工作；由于辅助振荡器单元302启动，V_CPA继续升高，当输入的V_CPA大于1.3V时，电平检测器V1和电平检测器V2均为高电平，因此输出电压V_EN为高电平，输出电压信号V_DIS为低电平，主振荡器单元502启动，辅助振荡器单元302关闭，导致辅助升压变换器模块3停止工作，V_CPA开始下降，而当降低到低于1.3V时，电平检测器V₂为低电平，V_DIS为高电平，辅助振荡器单元302重新启动，V_CPA又继续升高，因此V_CPA将一直维持在1.3V上下。在第二种情况下，光伏电压V_PD处于0.31V至0.37V之间，V_T31H为高电平V_T37H为低电平，四个二选一多路选择器最终选择电平检测器V₃和电平检测器V₄进行输出，当输入的V_CPA小于1.5V时，电平检测器V₃和电平检测器V₄均为低电平，因此输出电压V_EN为低电平，V_DIS为高电平，主振荡器单元502关闭，辅助振荡器单元302启动；由于辅助振荡器单元302启动，V_CPA继续升高，当输入的V_CPA大于1.5V且小于1.7V时，电平检测器V₃为高电平，电平检测器V₄为低电平，因此输出电压V_EN为高电平，V_DIS为高电平，主振荡器单元502启动，辅助振荡器单元302启动，此时适用于光能收集结构的升压变换电路5开始工作；由于辅助振荡器单元302启动，V_CPA继续升高，当输入的V_CPA大于1.7V时，电平检测器V₃和电平检测器V₄均为高电平，因此输出电压V_EN为高电平，V_DIS为低电平，主振荡器单元502启动，辅助振荡器单元302关闭，导致辅助升压变换器模块3停止工作，V_CPA开始下降，而当降低到低于1.7V时，电平检测器V₄为低电平，V_DIS为高电平，辅助振荡器单元302重新启动，V_CPA又继续升高，因此V_CPA将一直维持在1.7V上下。在第三种情况下，光伏电压V_PD大于0.37V，V_T31H、V_T37H均为高电平，四个二选一多路选择器最终选择电平检测器V₅和电平检测器V₆进行输出，当输入的V_CPA小于1.9V时，电平检测器V₅和电平检测器V₆均为低电平，因此输出电压V_EN为低电平V_DIS为高电平，主振荡器单元502关闭，辅助振荡器单元302启动；由于辅助振荡器单元302启动，V_CPA继续升高，当输入的V_CPA大于1.9V且小于2.1V时，电平检测器V₅为高电平，电平检测器V₆为低电平，因此输出电压V_EN为高电平，V_DIS为高电平，主振荡器单元502启动，辅助振荡器单元302启动，此时适用于光能收集结构的升压变换电路5开始工作；由于辅助振荡器单元302启动，V_CPA继续升高，当输入的V_CPA大于2.1V时，电平检测器V₅和电平检测器V₆均为高电平，因此输出电压V_EN为高电平V_DIS为低电平，主振荡器单元502启动，辅助振荡器单元302关闭，导致辅助升压变换器模块3停止工作，V_CPA开始下降，而当降低到低于2.1V时，电平检测器V₆为低电平，V_DIS为高电平，辅助振荡器单元302重新启动，V_CPA又继续升高，因此V_CPA将一直维持在2.1V上下。

所以，本发明的适用于光能收集结构的升压变换电路5作用是根据输入的光伏电压VPD的大小分析所处的工作区域并输出相应的输出电压V_CP供给电压调节模块6。

图3结合图9，所述电压调节模块6的输入端与主电荷泵单元501的输出端连接，电压调节模块6的输出端与负载连接。所述电压调节模块6包括一个基准电压产生器601、一个三阶电荷泵602和一个无电容低压差线性稳压器603，所述基准电压产生器601、三阶电荷泵602以及无电容低压差线性稳压器603的输入端均与适用于光能收集结构的升压变换电路5的输出端连接，基准电压产生器601以及三阶电荷泵602的输出端与无电容低压差线性稳压器603的输入端连接。电压调节模块6以适用于光能收集结构的升压变换电路5的输出电压V_CP作为输入，基准电压产生器601产生基准电压Vref供给无电容低压差线性稳压器603，三阶电荷泵602产生高输出电压V_CPD作为无电容低压差线性稳压器603的电源电压，适用于光能收集结构的升压变换电路5的输出电压V_CP经过无电容低压差线性稳压器603稳压，最终产生系统输出电压V_out。

使用片上光伏电池和连续MPPT的微能量收集系统的工作过程为：

片上光伏电池等效模块1在环境光照条件下产生光伏电压V_PD，输入到自调节参考电流产生单元203产生偏置电压V_BIAS；

以光伏电压V_PD为电源电压，根据偏置电压V_BIAS控制，辅助振荡器单元302产生互补时钟信号Φ与Φ’，启动辅助电荷泵单元301产生输出电压V_CPA；

输出电压V_CPA输入到控制信号产生模块4，产生输出电压信号V_EN控制主振荡器单元502启动或关闭，输出电压信号V_DIS控制辅助振荡器单元302启动或关闭；

电压检测单元201根据光伏电压V_PD产生输出电压V_T25、V_T31、V_T37、V_T42及它们的反向电压V’_T25、V’_T31、V’_T37、V’_T42，经过第一电平移位器202处理后产生高电平输出电压V_T25H、V_T31H、V_T37H、V_T42H、V’_T25H、V’_T31H、V’_T37H、V’_T42H供给主电荷泵单元501；

以光伏电压V_PD为输入电压，主振荡器单元502、非重叠时钟产生单元504、第二电平移位器503依次运行，产生高电平时钟信号Φ_1H、Φ’_1H、Φ_2H、Φ’_2H、Φ_3H提供给主电荷泵单元501为开关控制信号，并通过第一电平移位器202产生的高电平输出电压V_T25H、V_T31H、V_T37H、V_T42H、V’_T25H、V’_T31H、V’_T37H、V’_T42H对主电荷泵单元501的增益及各阶飞跨电容的容值进行变换，主电荷泵单元501产生输出电压V_CP；

将主电荷泵单元501输出电压V_CP输入到电压调节模块6，最终产生高效稳定的输出电压V_out即微能量收集系统的输出电压，为负载供电。

通过以上技术方案，本发明提供的一种适用于光能收集结构的升压变换电路，主电荷泵单元采用增强型开关结构电荷泵，使用增强型开关代替普通开关，在电荷泵时钟信号变换时可以实现节点之间电荷的完全转移，减少每一阶之间的漏电流，与传统电荷泵相比大大减少了跨阶漏电流，从而降低了电荷泵功耗，提高系统工作效率和转换效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种适用于光能收集结构的升压变换电路，其特征在于，包括主电荷泵单元、主振荡器单元、第二电平移位器以及非重叠时钟产生单元，所述主电荷泵单元包括六阶可重构电荷泵，第一阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵顺次连接，每一阶可重构电荷泵的输入端和输出端通过增强型开关连接，所述主振荡器单元的输入端接收控制信号，主振荡器单元的输出端与非重叠时钟产生单元的输入端连接，非重叠时钟产生单元、第二电平移位器以及主振荡器单元顺次连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于光能收集结构的升压变换电路，其特征在于，所述第一阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵顺次连接，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵均包括第一电荷泵基础单元和若干个增强型开关，第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵均包括第二电荷泵基础单元和若干个增强型开关，每个第一电荷泵基础单元的输入端与输出端之间连接一个增强型开关，每个第二电荷泵基础单元的输入端与输出端之间连接一个增强型开关。

3.根据权利要求2所述的一种适用于光能收集结构的升压变换电路，其特征在于，所述第一电荷泵基础单元包括第一开关管至第四开关管以及第一电容，第一开关管的源极接第一电容的一端，第一电容的另一端接第二开关管的漏极以及第三开关管的源极，第四开关管的漏极接第二开关管的源极，第四开关管的源极接第一开关管的漏极；每个第一开关管的源极和漏极之间连接一个增强型开关；第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中第一开关管的漏极均连接到一起，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中第三开关管的漏极均连接到一起，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中第四开关管的源极均连接到一起；第一阶可重构电荷泵至中第一开关管的漏极与第四开关管的源极的连接线上输入光伏电压V_PD。

4.根据权利要求3所述的一种适用于光能收集结构的升压变换电路，其特征在于，所述第二电荷泵基础单元包括第五开关管、第六开关管以及第二电容，所述第二电容的一端接第五开关管的源极和第六开关管的漏极，第四阶可重构电荷泵中第五开关管的漏极接第三阶可重构电荷泵中第三开关管的漏极，第四阶可重构电荷泵中第六开关管的源极接第三阶可重构电荷泵中第四开关管的源极；第四阶可重构电荷泵中第二电容的另一端与第三阶可重构电荷泵中第一开关管的源极之间接一个增强型开关；第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵中，所有的第五开关管的漏极均连接在一起，所有的第六开关管的源极均连接在一起，每一阶可重构电荷泵中第二电容的另一端与其相邻的可重构电荷泵中第二电容的另一端之间连接一个增强型开关；第六阶可重构电荷泵中第二电容的另一端接一个增强型开关。

5.根据权利要求4所述的一种适用于光能收集结构的升压变换电路，其特征在于，所述增强型开关包括第七开关管、第八开关管以及第九开关管，所述第七开关管的漏极与第八开关管的漏极连接并接第九开关管的栅极，第七开关管的源极接第九开关管的漏极；第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中每个第一开关管的源极接第九开关管的源极，每个第一开关管的漏极接第九开关管的漏极；第四阶可重构电荷泵中第九开关管的源极接第三阶可重构电荷泵中第九开关管的源极，第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵中每个第九开关管的源极接其下一阶可重构电荷泵中第八开关管的漏极；第六阶可重构电荷泵中，第二电容的另一端接第七开关管的源极以及第九开关管的漏极，第九开关管的源极作为主电荷泵单元的输出端输出电压V_CP。

6.根据权利要求2所述的一种适用于光能收集结构的升压变换电路，其特征在于，所述主电荷泵单元还包括飞跨电容子电路，所述飞跨电容子电路包括飞跨电容、第十开关管以及驱动开关，所述驱动开关的一端通过飞跨电容与第十开关管的漏极连接；第二阶可重构电荷泵接一组飞跨电容子电路，第三阶可重构电荷泵接两组飞跨电容子电路，第一电容的一端接两组飞跨电容子电路的驱动开关的另一端，第一电容的另一端接每组飞跨电容子电路的第十开关管的源极；第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵均接四组飞跨电容子电路，第二电容的一端接每组飞跨电容子电路的第十开关管的源极，第二电容的另一端接每组飞跨电容子电路的驱动开关的另一端。

7.根据权利要求2所述的一种适用于光能收集结构的升压变换电路，其特征在于，所述主电荷泵单元还包括极板间寄生电容和第二开关，第一阶可重构电荷泵至第三阶可重构电荷泵中每个第一电容的另一端均接一个极板间寄生电容的一端，每个极板间寄生电容的另一端均接地；第四阶可重构电荷泵至第六阶可重构电荷泵中每个第二电容的一端均接一个极板间寄生电容的一端，每个极板间寄生电容的另一端均接地；第一阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端与第二阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端之间接一个第二开关；第三阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端与第四阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端之间接一个第二开关；第五阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端与第六阶可重构电荷泵的极板间寄生电容的一端之间接一个第二开关。