CN113630003A - 一种基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统 - Google Patents

一种基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统，包括能量传感器、带有最大功率点跟踪功能的DC‑DC变换器以及伪负载调节稳压模块，其中伪负载调节稳压模块利用一比较器来判断当前的输出电压是否在设定值，如果大于设定值，则通过数字逻辑处理之后，通过附加的伪负载电阻来消耗输出电容上的多余电荷，最终实现稳压的目的。本发明基于伪负载调节稳压的机制充分考虑了从周围环境采集能量进行供电系统的特点，在始终保证从能量源以最大功率点进行能量传输的同时，自动均衡输入功率和输出功率，与基于迟滞控制的系统相比极大减小了输出电压纹波。

Description

一种基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统
技术领域
本发明属于能量采集背景下的功率变换及处理技术领域，具体涉及一种基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统。
背景技术
能量采集技术通过能量传感器将周遭环境中的光能、热能、机械振动能、射频能量等转换成电能，然后在电源管理模块的监控下，经过AC-DC变换器或者DC-DC变换器的功率变换和处理，为无线传感器网络、微机电系统、可穿戴式电子设备等进行供电。能量采集技术避免了电池的使用，在降低成本的同时，也省去了电池更换或者充电的麻烦，是实现无线传感器等低功耗电子设备长期免维护工作的一项关键技术。
传统的能量采集系统架构如图1所示，系统由两个DC-DC变换器组成，前一个DC-DC变换器通过调整其输入阻抗来使得能量传感器的能量以最大功率点传输，并将能量储存在其输出端的能量存储单元Cstore(超级电容或者电池等)上面；后一个DC-DC变换器从能量储存单元上抽取能量，并按照系统要求调节其输出电压并给后续的负载设备供电。这种两个DC-DC变换器级联的实现方式需要更多的电子元器件，从而提高了成本，两级级联的方式也降低了整体的效率。
图2为传统的基于突发(burst)模式控制的Boost变换器，基于burst模式控制的DC-DC变换器根据负载情况连续工作几个周期对输出电容充电，然后关断几个周期；当输出电压随着负载消耗降低到某个阈值之后，变换器再次开启。此种架构具有较高的系统效率，适合于能量采集系统，其具体工作原理如图3所示，通过设置一个迟滞窗口，从而将输出电压限定在VOH和VOL之间；当系统的迟滞比较器检测到输出电压Vout低于迟滞窗口的下边沿VOL时，系统进入工作模式，并通过调整主开关的导通时间ton使DC-DC变换器进入MPPT工作点。在DC-DC变换器工作时，其向负载电容充电的电流大于负载消耗的电流，输出电压Vout得到抬升；当输出电压Vout升高到迟滞窗口的上边沿VOH时，迟滞比较器输出翻转，系统进入待机模式。待机模式下，系统将关断功率管以及系统中的大部分模块，从而使得系统具有较高的整体效率，但是从图2和图3可以看出，采用突发模式控制的能量采集系统其输出电压由迟滞窗口决定，如果设置迟滞窗口为50mV，那么输出电压的纹波也有50mV，具有较大的纹波。本质上，这种模式控制的DC-DC变换器并不具有输出稳压的能力，只是限制了其最大值和最小值。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统，在始终保证从能量源以最大功率点进行能量传输的同时，自动均衡输入功率和输出功率，极大减小了输出电压纹波。
一种基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统，包括：
能量传感器，用于将其他形式的能量转换为电能；
DC-DC变换器，通过MPPT(最大功率点跟踪)技术使能量传感器产生的电能以最大功率输出给负载；
伪负载调节稳压模块，其设置于DC-DC变换器与负载之间，用于自动均衡DC-DC变换器的输入功率和输出功率，以获得精准的输出电压和较小的输出电压纹波。
所述DC-DC变换器具有最大功率点跟踪功能，可以根据当前相应能量源(光能、热能、机械振动能、射频能量等)的输入选择合适的MPPT算法，保证最大功率传输；因此，在DC-DC输出电压保持相对不变的情况下，DC-DC变换器的输出实际上可以等效为一个受控电流源，该电流源的大小由MPPT决定的最大输入功率决定。具有最大功率点跟踪功能的DC-DC变换器工作于电感电流不连续(DCM)模式，并输出一个标志电感电流为0的脉冲，该脉冲的上升沿标志着电感电流下降到0，将被用于触发伪负载调节稳压模块。
所述标志电感电流为0的脉冲大多数情况下不需要额外产生，例如若DC-DC变换器为boost或flyback拓扑结构，而且其中的整流二极管采用一个P型功率MOS管来代替，那么此P型功率MOS管的栅极驱动信号即可作为该脉冲信号。
进一步地，所述伪负载调节稳压模块利用比较器来判断DC-DC变换器的输出电压是否达到设定的基准电压值，如果大于基准电压值，则通过附加的伪负载电阻来消耗输出电容上的多余电荷，以实现稳压的目的。
进一步地，所述伪负载调节模块包括伪负载电阻、开关S、比较器、上升沿触发的脉冲产生电路one-shot1、下降沿触发的脉冲产生电路one-shot2、高电平有效的RS锁存器、三输入的与门、驱动电路以及两个采样电阻Rf1和Rf2，其中：采样电阻Rf1的一端与伪负载电阻的一端相连并接DC-DC变换器的输出端口，伪负载电阻的另一端与开关S的一端相连，开关S的另一端接地，采样电阻Rf1的另一端与采样电阻Rf2的一端以及比较器的正相输入端相连，采样电阻Rf2的另一端接地，比较器的反相输入端接给定的基准电压Vref，比较器的输出端与脉冲产生电路one-shot2的输入端以及与门的第三输入端相连，与门的第一输入端与脉冲产生电路one-shot1的输入端相连并接DC-DC变换器中标志电感电流为0的脉冲信号，脉冲产生电路one-shot1的输出端与RS锁存器的S端相连，脉冲产生电路one-shot2的输出端与RS锁存器的清零端相连，与门的第二输入端与RS锁存器的输出端相连，与门的输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端与开关S的控制极相连。
进一步地，所述DC-DC变换器的输出端口连接有能量存储单元，所述能量存储单元可采用超级电容或者电池。
进一步地，在标志电感电流为0的脉冲信号上升沿到来之前，意味着DC-DC变换器中的电感电流大于0，此时DC-DC变换器将能量从输入端传递到输出端；与此同时，与门第一输入端的信号为0，从而输出信号0并经过驱动电路保证开关S处于关断状态。
进一步地，在标志电感电流为0的脉冲信号上升沿到来之后，意味着DC-DC变换器中的电感电流已经降到0，如果此时输出电压经分压后小于基准电压Vref，那么比较器的输出为0，使得与门第三输入端的信号为0，从而输出信号0并经过驱动电路保证开关S处于关断状态。
进一步地，在标志电感电流为0的脉冲信号上升沿到来之后，意味着DC-DC变换器中的电感电流已经降到0，如果此时输出电压经分压后大于基准电压Vref，那么比较器的输出为1，使得与门第三输入端的信号为1；标志电感电流为0的脉冲信号一方面使得与门第一输入端的信号为1，同时其上升沿触发脉冲产生电路one-shot1产生一脉冲并将RS锁存器的输出置1，于是此时与门3个输入端的信号全部为1，从而输出信号1并经过驱动电路去开通开关S，将伪负载电阻接入电路中，从而致使输出电压下降；当输出电压经分压后小于基准电压Vref时，比较器的输出从1跳变到0，使得与门第三输入端的信号为0；同时，比较器的输出从1跳变到0也触发脉冲产生电路one-shot2产生一脉冲并将RS锁存器的输出清零，于是与门第二输入端的信号也变为0，从而输出信号0并经过驱动电路去关断开关S，将伪负载电阻与主电路断开。
进一步地，当标志电感电流为0的脉冲信号触发脉冲产生电路one-shot1产生一脉冲并将RS锁存器的输出置1，伪负载调节稳压模块一旦将输出电压调节到合适值，使得脉冲产生电路one-shot2产生一脉冲将RS锁存器的输出置0以后，在下一个标志电感电流为0的脉冲信号上升沿到来之前，RS锁存器的输出将不会再次变1，这就保证了在一个开关周期之内，伪负载电阻最多只可能被打开一次，从而避免了高频振荡(在DC-DC变换器的一个开关周期之内，伪负载电阻被多次打开和关断)的产生。
如果伪负载电阻在一个开关周期中被接入主电路并消耗能量，那么就意味着此时DC-DC变换器从从输入端传递到输出端的能量大于此时负载真正所消耗的能量；伪负载电阻通过消耗多余的能量来自动均衡DC-DC变换器的输入功率和输出功率，而不需要通过关闭DC-DC变换器来限制输出电压。
本发明通过伪负载电阻调节的方式稳定输出电压，从而保证DC-DC变换器可以始终以最大功率点进行工作，当输出负载发生变化时，既保证了输出电压具有较小的纹波，也使得系统具有较快的瞬态响应。
本发明可以方便地与基于burst模式控制的DC-DC变换器相结合，根据负载的实际情况，可以对整个能量采集系统设定充电模式和供电模式两种模式；如果负载对输出电压的要求不高或者不需要给负载供电，那么系统可以工作在充电模式下，此时伪负载调节模块不会起作用，带有最大功率点跟踪功能的DC-DC变换器持续地将能量从输入传递到能量存储单元，迟滞窗口的上边沿限制最大的输出电压，防止输出电压过大。如果需要给负载提供较为精准的输出电压，那么系统可以工作在供电模式下，此时伪负载调节模块起到调节作用，自动均衡输入功率和输出功率，以维持输出电压恒定。
因此，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明适应能量采集系统的应用场合，不需要通过关闭DC-DC变换器来限制输出电压。
2.本发明在始终保证从能量源以最大功率点进行能量传输的同时，自动均衡输入功率和输出功率，与基于迟滞控制的系统相比极大减小了输出电压纹波。
3.本发明中DC-DC变换器可以始终以最大功率点进行工作，当输出负载发生变化时，使得系统具有较快的瞬态响应。
4.本发明可以方便地与基于burst模式控制的DC-DC变换器相结合，设定充电模式和供电模式，以充电模式来向能量存储单元进行高效率的充电，以供电模式来向负载单元提供精准的输出电压。
附图说明
图1为传统基于两个DC-DC变换器级联的能量采集系统结构示意图。
图2为传统基于burst模式控制的Boost变换器结构示意图。
图3为传统基于burst模式控制的Boost变换器工作时序波形示意图。
图4为本发明能量采集控制系统的结构示意图。
图5为本发明伪负载调节稳压模块应用于热电能量采集系统的工作波形图。
图6为本发明伪负载调节稳压模块稳态情况下的关键信号波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图4所示，本发明基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统包括：能量传感器、带有最大功率点跟踪功能的DC-DC变换器以及伪负载调节稳压模块；其中，能量传感器用于将周遭环境中的光能、热能、机械振动能、射频能量等转换成电能；伪负载调节稳压模块利用一比较器来判断当前的输出电压是否在设定值，如果大于设定值，则通过数字逻辑处理之后，通过附加的伪负载电阻来消耗输出电容上的多余电荷，最终实现稳压的目的。
图4中的DC-DC变换器具有最大功率点跟踪(MPPT)功能，可以根据当前相应能量源(光能、热能、机械振动能、射频能量等)的输入选择合适的MPPT算法，保证DC-DC变换器的最大功率传输；因此，在DC-DC输出电压保持相对不变的情况下，DC-DC变换器的输出实际上可以等效为一个受控电流源，此电流源的大小由MPPT决定的最大输入功率决定。
图4中的标志电感电流为0的脉冲大多数情况下不需要额外产生，以如图2中所示的DC-DC变换器为boost拓扑为例，为了进一步提高其在低电压低功率场合下的效率，其整流二极管常被一个P型功率MOS管来代替，那么这个P型功率MOS管的栅极驱动信号就可用来做标志电感电流为0的脉冲。
如图4所示，在本实施方式中热电能量传感器被等效为一内阻为5Ω的可变电压源，其开路电压随着周遭温差的不同可在30mV～300mV变化，根据最大功率传输定理：
Figure BDA0003202217540000061
在开路电压为200mV时，带入具体数值，此时系统能向负载传输的最大功率为2mW；在输出电压1.8V左右时，工作在最大功率点的DC-DC变换器可等效为一1.1mA大小的电流源；在输出电容为100μF时，如果没有负载的消耗，那么输出电容充电上升的斜率为11mV/mS左右。
如图5所示，当输出电压下降到迟滞窗口的下边沿时，系统开始工作，并首先进入最大功率点调整阶段，调整的结果使得DC-DC变换器的输入电压在100mV左右。在充电模式下，输出电容上电压以大约10mV/mS的斜率上升，在传统的基于迟滞模式控制的系统里面，输出电压将会一直上升达到设定的最大值，然后系统进入待机模式，DC-DC变换器停止工作；当输出电压由于负载的消耗再次下降到迟滞窗口的下边沿时，系统重新开始工作，因此输出电压在迟滞窗口设定的最大值和最小值之间来回变化，具有较大的纹波。
如图5所示，采用了本发明伪负载调节稳压模块后，系统可以从充电模式切换到供电模式，此时输出电压稳定在设定的1.71V。
图6所示了本发明伪负载调节稳压模块稳态情况下的关键信号波形，低电压低功率场合下，带有最大功率点跟踪(MPPT)功能的DC-DC变换器工作于电感电流不连续(DCM)模式。标志电感电流为0的脉冲(功率P管驱动信号)的上升沿到来之前，意味着电感电流为正值，此时DC-DC变换器将能量从输入端传递到输出端，输出电压Vout逐渐变大；与此同时，3输入与门的第一个输入端in1为0，于是3输入与门输出0信号并经过驱动电路保证开关管S处于关断状态。
标志电感电流为0的脉冲的上升沿到来之后，比较器CMP检测到此时的输出电压Vout分压之后大于Vref，那么比较器CMP的输出为1；标志电感电流为0的脉冲一方面使得3输入与门的第一个输入端in1为1，同时其上升沿触发one-shot1产生一脉冲并将RS锁存器的输出置1，于是此时3输入与门的3个输入端全部为1；3输入与门输出1信号，经过驱动电路去开通开关管S，将伪负载电阻接入电路中，导致输出电压Vout下降；当输出电压Vout分压之后小于Vref时，比较器CMP的输出从1到0跳变并触发one-shot2产生一脉冲并将RS锁存器的输出清零，此时3输入与门的第二个输入端变为0，于是3输入与门输出0信号并经过驱动电路去关断开关管S，将伪负载电阻与主电路断开。
标志电感电流为0的脉冲触发one-shot1产生一脉冲并将RS锁存器的输出置1；伪负载调节稳压模块一旦将输出电压Vout调节到合适值，使得one-shot2产生一脉冲将RS锁存器的输出置0以后，在下一个标志电感电流过零的上升沿到来之前，RS锁存器的输出将不会再次变1；这就保证了在一个开关周期之内，伪负载电阻最多只可能被打开一次，从而避免了高频振荡(在DC-DC变换器的一个开关周期之内，伪负载电阻被多次打开和关断)的产生。如图6所示，伪负载调节模块中开关管S的驱动信号在一个开关周期内只产生一个上升沿，当输出电压Vout调节到合适值后，其恢复到0并在当前周期内始终保持为0。
如图6所示，进入到供电模式之后，输入电压依然保持在MPPT调整的1/2开路电压附近，因此伪负载调节模块没有影响DC-DC变换器的工作状态，DC-DC变换器依然在最大功率点从能量传感器抽取能量；伪负载调节模块通过控制伪负载接入主电路的时间长短，自动均衡输入功率和输出功率，与基于迟滞控制的系统相比极大减小了输出电压纹波；当输出负载发生变化时，系统也会具有较快的瞬态响应。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统，包括：
能量传感器，用于将其他形式的能量转换为电能；
DC-DC变换器，通过MPPT技术使能量传感器产生的电能以最大功率输出给负载；
伪负载调节稳压模块，其设置于DC-DC变换器与负载之间，用于自动均衡DC-DC变换器的输入功率和输出功率，以获得精准的输出电压和较小的输出电压纹波。
2.根据权利要求1所述的能量采集控制系统，其特征在于：所述伪负载调节稳压模块利用比较器来判断DC-DC变换器的输出电压是否达到设定的基准电压值，如果大于基准电压值，则通过附加的伪负载电阻来消耗输出电容上的多余电荷，以实现稳压的目的。
3.根据权利要求1所述的能量采集控制系统，其特征在于：所述伪负载调节模块包括伪负载电阻、开关S、比较器、上升沿触发的脉冲产生电路one-shot1、下降沿触发的脉冲产生电路one-shot2、高电平有效的RS锁存器、三输入的与门、驱动电路以及两个采样电阻Rf1和Rf2，其中：采样电阻Rf1的一端与伪负载电阻的一端相连并接DC-DC变换器的输出端口，伪负载电阻的另一端与开关S的一端相连，开关S的另一端接地，采样电阻Rf1的另一端与采样电阻Rf2的一端以及比较器的正相输入端相连，采样电阻Rf2的另一端接地，比较器的反相输入端接给定的基准电压Vref，比较器的输出端与脉冲产生电路one-shot2的输入端以及与门的第三输入端相连，与门的第一输入端与脉冲产生电路one-shot1的输入端相连并接DC-DC变换器中标志电感电流为0的脉冲信号，脉冲产生电路one-shot1的输出端与RS锁存器的S端相连，脉冲产生电路one-shot2的输出端与RS锁存器的清零端相连，与门的第二输入端与RS锁存器的输出端相连，与门的输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端与开关S的控制极相连。
4.根据权利要求1所述的能量采集控制系统，其特征在于：所述DC-DC变换器的输出端口连接有能量存储单元，所述能量存储单元可采用超级电容或者电池。
5.根据权利要求3所述的能量采集控制系统，其特征在于：在标志电感电流为0的脉冲信号上升沿到来之前，意味着DC-DC变换器中的电感电流大于0，此时DC-DC变换器将能量从输入端传递到输出端；与此同时，与门第一输入端的信号为0，从而输出信号0并经过驱动电路保证开关S处于关断状态。
6.根据权利要求3所述的能量采集控制系统，其特征在于：在标志电感电流为0的脉冲信号上升沿到来之后，意味着DC-DC变换器中的电感电流已经降到0，如果此时输出电压经分压后小于基准电压Vref，那么比较器的输出为0，使得与门第三输入端的信号为0，从而输出信号0并经过驱动电路保证开关S处于关断状态。
7.根据权利要求3所述的能量采集控制系统，其特征在于：在标志电感电流为0的脉冲信号上升沿到来之后，意味着DC-DC变换器中的电感电流已经降到0，如果此时输出电压经分压后大于基准电压Vref，那么比较器的输出为1，使得与门第三输入端的信号为1；标志电感电流为0的脉冲信号一方面使得与门第一输入端的信号为1，同时其上升沿触发脉冲产生电路one-shot1产生一脉冲并将RS锁存器的输出置1，于是此时与门3个输入端的信号全部为1，从而输出信号1并经过驱动电路去开通开关S，将伪负载电阻接入电路中，从而致使输出电压下降；当输出电压经分压后小于基准电压Vref时，比较器的输出从1跳变到0，使得与门第三输入端的信号为0；同时，比较器的输出从1跳变到0也触发脉冲产生电路one-shot2产生一脉冲并将RS锁存器的输出清零，于是与门第二输入端的信号也变为0，从而输出信号0并经过驱动电路去关断开关S，将伪负载电阻与主电路断开。
8.根据权利要求3所述的能量采集控制系统，其特征在于：当标志电感电流为0的脉冲信号触发脉冲产生电路one-shot1产生一脉冲并将RS锁存器的输出置1，伪负载调节稳压模块一旦将输出电压调节到合适值，使得脉冲产生电路one-shot2产生一脉冲将RS锁存器的输出置0以后，在下一个标志电感电流为0的脉冲信号上升沿到来之前，RS锁存器的输出将不会再次变1，这就保证了在一个开关周期之内，伪负载电阻最多只可能被打开一次，从而避免了高频振荡的产生。
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