具有峰值电感电流控制的升压转换器制造技术

具有峰值电感电流控制和失调补偿零检测的低输入电压升压转换器提供了一种从输出电压很小的源中采集能量的升压转换器方案。本发明专利技术中描述的一些实施例包括将IPEAK控制方案与具有失调补偿并设定占空比的比较器相结合以便能够从低至5mV到10mV的TEG输入中采集能量的热电升压转换器，并且峰值电感电流与输入电压和输出电压的一阶无关。控制电路能够对输入电压(VIN)进行采样，然后产生持续时间与VIN成反比的脉冲，以便控制升压转换器开关，使得产生了基本恒定的峰值电感电流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权声明本申请是非临时性的，根据美国法典第35卷第119条要求以下美国临时申请的优先权：2014年1月17日提出申请，序列号为61/928,621，名称为“具有峰值电感电流控制和失调补偿零检测的低输入电压升压转换器”，在此通过引用将此美国临时申请专门合并。
一些实施例通常涉及低功率电路设计，特别涉及一种具有峰值电感电流控制和失调补偿零检测的低输入电压升压转换器。有关联邦政府资助研究的声明本专利技术是在政府通过国家科学基金会(NationalScienceFoundation)颁发的第1035771号奖和国家科学基金会纳米系统工程研究中心协助中心(NSFNERCASSISTCenter)(EEC-1160483)的支持下完成的。政府对本专利技术享有当然的权利。
技术介绍
通过电池或从环境采集功率进行工作的低功率设备会产生很小的电流或电压以延长设备的工作时间。在施以很小的输入电压或电流时，升压转换器能够产生比其输入电压更高的输出电压，并且通过这种方法，低功率设备能够从很小的输入中采集能量。但是，当输入电压很低时，升压转换器电路中的失调会使得难以准确地检测到并使用很小的输入电压，并且升压转换器内部的失配可能导致巨大的变化，以至于门元件的输出在逻辑层被改变，因此造成升压转换器的输出电压不够精准。各种外界的源都能够用于采集能量，包括光、震动、热和射频。能够从户外的日光实现能量采集。这些能量采集器通常在尺寸上相对较大。它们能够用于在高电压采集大量的功率(kW级别)。借助非常好的最大功率点跟踪，这些能量采集器能够达到很高的效率。与此相反，使用太阳能电池的微功率能量采集器包括无线传感器网络(WSN)或蓝牙传感器网络(BSN)能量采集器。能够将它们用于低功率系统。由于太阳能电池体积更小、室内光线条件中的环境光线较暗，因而这些采集器通常尺寸较小并且采集的能量非常少(μW级别)。另一种常用于BSN应用的能量采集器是压电采集器，用于从震动中采集机械能量。这些能量采集器能够采集10-100μW的可用功率。当机械压力作用于压电材料时，就会产生电能。最近，已经证明了压电采集器适用于BSN。这些采集器能够以80％以上的效率采集几微瓦至一百微瓦的输出功率。从可用的RF功率中采集能量是为BSN获取能量的另一种方法，能够提供足够的能量来驱动BSN。
技术实现思路
本专利技术描述了用于从DC输入电压采集能量，并将其提升为更高的存储的输出电压的升压转换器的系统、方法和装置。能够使用最大功率点跟踪来控制转换器，以针对其输入源(例如热电发电机(TEG)或光伏电池)进行优化。一种控制方案能够用于升压转换器的低侧开关，它基于输入电压VIN的值改变开关导通的时间，使得峰值电感电流基本恒定，与VIN和VOUT一阶无关。为了能够同时允许低电压和低功率，并因此实现高效，运算比较器能够用于高侧开关控制中的零检测，运算比较器具有失调补偿并设定占空比。本专利技术中的一些实施例中包括升压转换器装置。所述升压转换器包括被配置为通过电感电流的电感；操作性地耦合至所述电感的升压转换器开关，所述升压转换器开关被配置为在升压转换器开关被激活时接收输入电压并产生输出电压；操作性地耦合至所述升压转换器开关的开关控制电路。所述开关控制电路被配置为接收所述输入电压，并发送控制信号以激活所述升压转换器开关，以便维持峰值电流基本恒定。所述电感电流与输入电压和输出电压无关。本专利技术中的一些实施例包括使用升压转换器从很低的输入电压中采集能量的方法。所述方法包括接收输入电压，并且产生两个不重叠的、包括第一时钟相位信号和第二时钟相位信号的时钟相位信号。所述方法进一步包括操作升压转换器，以根据所述第一时钟相位信号产生输出电压，同时维持电感的峰值电感电流基本恒定。所述电感电流与所述输入电压和所述输出电压无关。所述方法进一步包括根据所述第二时钟相位信号执行失调抵消，以消除所述升压转换器的比较器的失调。本专利技术中描述的一些实施例包括节能的升压转换装置。所述装置包括被配置为通过电感电流的电感；操作性地耦合至所述电感的升压转换器开关，所述升压转换器开关被配置为激活升压转换切换循环；以及操作性地耦合至所述电感和所述升压转换器开关的零检测比较器。当激活所述升压转换切换循环时，所述零检测比较器被配置为被激活，用于对所述电感电流进行零检测，所述零检测比较器还被配置为在完成所述零检测后被停用。所述零检测比较器进一步包括失调抵消部件，所述失调抵消部件被配置为消除所述零检测比较器中的失调，以便当电感电流下降为零时，所述零检测比较器准确地检测到电流变化。附图说明图1是根据一个实施例的、示出升压转换器基本结构的结构图。图2是根据一个实施例的、示出改变低侧开关导通时间以维持基本恒定的峰值电感电流的控制电路的结构图。图3示出了根据一个实施例的、改变低侧开关导通时间以维持基本恒定的峰值电感电流的控制电路的一个实施例的结构图。图4示出了根据一个实施例的、基于输入电压VIN的值来控制峰值电感电流基本恒定的方法的流程图。图5是根据一个实施例的、示出通过定时来设定基本恒定的电感电流的升压转换器结构(如图1所示)的具体电路实现的结构图。图6是根据一个实施例的、示出用于热电发电机(TEG)的最大功率点(MPP)跟踪电路的结构图。图7是根据一个实施例的、示出MPP跟踪的仿真结果的绘图。图8是根据一个实施例的、示出示例性的升压控制定时信号的绘图。图9是根据一个实施例的、示出不同输入电压下示例性的峰值电感电流的数据曲线图。图10是根据一个实施例的、示出将电感电流设置为独立于输入电压的示例性低侧(LS)定时电路的结构图。图11是根据一个实施例的、示出在LS定时控制信号(如图10所示)下的电感电流的示例性仿真结果的数据曲线图。图12提供根据一个实施例的、示出示例性的高侧(HS)定时电路的结构图以及示出定时控制信号的绘图。图13提供根据一个实施例的、示出具有失调补偿并设定占空比(用于低功率)的比较器(例如，如图12所示)的结构图。图14提供根据一个实施例的、升压转换器的晶圆光绘以及升压转换器的示例性规格参数。图15提供根据一个实施例的、示出表示正确工作和再校准的MPP跟踪的示例性实测输出的数据曲线图。图16提供根据一个实施例的、示出不同输入电压下示例性实测低侧激活定时的数据曲线图。图17提供根据一个实施例的、示出具有低侧激活定时的示例性实测效率的数据曲线图。图18是根据一个实施例的、示出使用蒙特卡罗仿真过程的峰值电感电流的示例性变化的数据曲线图。图19至20提供根据一个实施例的、示出比例高达47倍的理想的零检测的示例性实测零检测方案的数据曲线图。图21是根据一个实施例的、示出在选定的输入电压下升压转换器的示例性实测工作的数据曲线图。图22是根据一个实施例的、示出表示升压转换器启动的示例性实测结果的数据曲线图。图23至26提供根据实施例的、TEG的示例性的实施例。具体实施方式具有峰值电感电流控制和失调补偿零检测的低输入电压升压转换器提供了一种从输出电压很小的源中采集能量的升压转换器的方案。例如，皮肤和空气之间特别是衣物下的热梯度可能仅有几摄氏度，并且在采集器封装中的匹配热阻抗带来的挑战可能使得热电发电机(TEG)小于1摄氏度，这导致开路TEG输出小于30mV。一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，其特征在于，所述装置包括：被配置为通过电感电流的电感；操作性地耦合至所述电感的升压转换器开关，所述升压转换器开关被配置为在升压转换器开关被激活时接收输入电压并产生输出电压；操作性地耦合至所述升压转换器开关的开关控制电路，所述开关控制电路被配置为接收所述输入电压，并发送控制信号以激活所述升压转换器开关，以便维持峰值电流基本恒定，所述峰值电感电流与所述输入电压和所述输出电压一阶无关。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.17 US 61/928,6211.一种装置，其特征在于，所述装置包括：被配置为通过电感电流的电感；操作性地耦合至所述电感的升压转换器开关，所述升压转换器开关被配置为在升压转换器开关被激活时接收输入电压并产生输出电压；操作性地耦合至所述升压转换器开关的开关控制电路，所述开关控制电路被配置为接收所述输入电压，并发送控制信号以激活所述升压转换器开关，以便维持峰值电流基本恒定，所述峰值电感电流与所述输入电压和所述输出电压一阶无关。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升压转换器被配置为从热电发电机接收所述输入电压。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升压转换器开关包括低侧开关，所述低侧开关被配置为被激活，以维持峰值电感电流基本恒定。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升压转换器开关包括高侧开关，所述高侧开关基于对电感电流的零检测而被激活。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关控制电路被配置为对所述输入电压进行采样和测量；并且所述开关控制电路被配置为确定所述控制信号的脉冲持续时间，所述脉冲持续时间与所述输入电压成反比。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关控制电路被配置为产生一控制信号，该控制信号具有与所述输入电压的平方成正比的幅度以及与所述输入电压成反比的脉冲持续时间，所述开关控制电路被配置为向所述升压转换器开关发送所述控制信号以激活升压转换。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：操作性地耦合至所述开关控制电路的最大功率点跟踪电路，所述最大功率点跟踪电路被配置为从热电发电机接收所述输入电压，并且被配置为跟踪所述热电发电机的最大功率点，以使所述升压转换器在所述最大功率点工作。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关控制电路被配置为产生非重叠控制定时信号，包括：低开关控制定时信号，其用于激活所述升压转换器开关的低开关，并具有定义为维持所述峰值电感电流基本恒定的第一脉冲宽度；以及高开关控制定时信号，其用于在电感电流为零时停用所述升压转换器开关的高开关。9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关控制电路被配置为产生第三控制定时信号，所述第三控制定时信号具有由所述开关控制电路中的延时线设置的脉冲宽度，所述第三控制定时信号被配置为定义针对所述开关控制电路的比较器中的失调补偿的定时相位。10.一种方法，其特征在于，所述方法包括：接收输入电压；产生两个不重叠的、包括第一时钟相位信号和第二时钟相位信号的时钟相位信号；操作升压转换器，以根据所述第一时钟相位信号产生输出电压，同时维持电感的峰值电感电流基本恒定，所述峰值电感电流与所述输入电压和所述输出电压无关；以及根据所述第二时钟相位信号执行失调抵消，以消除所述升压转换器的比较器的失调。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在比较器处对电感电流进行零检测。12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：当激活切换循环时，激活所述比较器；以及在完成对电感电流的零检测后停用所述比较器。13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一时钟相位信号具有的第一脉冲宽度与所述输入电压成反比，所述方法进一步包括：激活所述升压转换器的低开关以维持所述峰值电感电流基本恒定。14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：响应于所述第二时钟相位信号并且当检测到所述电感电流为零时，停用所述升压转换器的高开关。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·H·卡尔霍恩，A·什里瓦斯塔瓦，
申请(专利权)人：弗吉尼亚大学专利基金会以弗吉尼亚大学许可合资集团名义经营，
类型：发明
国别省市：美国;US