用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法，功率最佳化装置包含电荷泵、电压比较单元、输出开关、计数器及频率控制模组。藉由在不同操作频率下检测系统的输出电压，得到增加或是降低电荷泵的操作频率的演算结果，如此可动态的根据能量采集设备所输出至储电单元的电压，并考量操作频率变动造成的能量损耗，以进行操作频率的调整，进而将系统的输出功率最佳化。

【技术实现步骤摘要】
用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法
本专利技术关于一种用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法，更精确的说，是关于一种藉由对电荷泵的输出电压进行最大功率点追踪，并对应调整操作频率以使能量采集设备的功率最佳化的装置及方法。
技术介绍
能量猎取、采集(energyharvesting)技术在各领域中已经使用了相当长的一段时间，此技术主要目的为猎取大自然中的能量，例如光(light)、热(Thermal)、电磁(Electromagnetic)或是震动(Vibration)能。此类能量和绿色能源(Greenpower)取得方式相似，但不同的是能量采集技术的对象通常是相当微小的能量来源。随着集成电路(integratedcircuit)设计的进步和网际网络的发达，穿戴(wearable)式装置和物联网(internetofthing,IoT)的应用越来越受到重视，而这两项应用和能量采集技术也密切相关。以物联网为例，通常需要相当多的无线网络感测节点(wirelesssensornetwork,WSN)来检测和传送资料，因此数目庞大的WSN若能从所处位置直接的猎取所需能量，不再依赖有线电网或是更换电池提供能量，将是非常值得投注心力的一项技术。另外穿戴式产品通常体积较小，如果大部分时间的能量都能够由外部取得，也可以大幅度的降低对电池的需求。好处是电池体积可以缩小，减少充电时间，采集到的能量若是多于目前操作所需能量也可将多余的能量储存于电池之中。为了得到环境中的能量，必须有一个转换器(transducer)将前述的光、热等能量转换为IC能够处理的电压、电流信号。以光为例，可利用太阳能电池(solarcell)做转换，如图1A所示，可知转换后的曲线并非线性，与一般的理想电压、电流源差异很大。并且其功率曲线有一最大值，称为最大功率点MPP(maximumpowerpoint,MPP)。由此可知若是想要得到最大的功率，则其后所接的电源转换器(powerconverter)必须能够时时刻刻的将工作点保持在此最大功率点(maximumpowerpointtracking,MPPT)。图1B是压电转换震动能的电压对电流和功率曲线，虽然特性和太阳能电池不同，但相同的都有一个最大功率点。转换器将能量转换为电能信号后，将由电源转换器(powerconverter)转换成系统所能运用的电压、电流范围。以一般应用而言此转换后的能量相当微小，所以使用的电源转换器的效率必须相当高。直流切换式电源转换器(DC/DCswitchingconverter)的效率是相当高的。很多应用也大多用此类转换器，例如降压型直流转换器(buckconverter)可应用于太阳能电池和震动能源，而升压型直流转换器(boostconverter)可应用于太阳能电池和热能源。此类转换器虽然效率够高，但是此类切换式电源转换器不可避免的需要一个体积较大的电感当作储能元件。但是较大面积的元件将不利于穿戴式的产品。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种用于能量采集设备的功率最佳化装置，其包含电荷泵、电压比较单元、输出开关、计数器及频率控制模组。电荷泵包含输入端、输出端及控制端，电荷泵自输入端接收能量采集设备的输入电压，并根据操作频率自输出端输出输出电压。电压比较单元连接于电荷泵的输出端，以将电荷泵的输出端的电压与参考电压比较，当电荷泵的输出端的电压到达参考电压，输出第一比较信号。输出开关连接于电荷泵的输出端及储电单元之间，其根据第一比较信号在导通状态及关断状态之间切换。计数器连接于电压比较单元的输出端以接收第一比较信号，并纪录在电压累积时间内，在不同的操作频率电荷泵的输出端的电压分别到达参考电压的次数，并产生复数个计数结果。频率控制模组连接于计数器及控制端之间，其比较相邻二电压累积时间的该等计数结果产生比较结果，并根据比较结果控制电荷泵的操作频率。较佳者，频率控制模组可包含计数暂存器、比较器及频率控制单元。计数暂存器可储存计数器在相邻二电压累积时间内分别产生的该等计数结果。比较器可比较该等计数结果并输出第二比较信号。频率控制单元可连接于比较器及控制端之间，其中，当该等计数结果的后者大于前者，频率控制单元可根据第二比较信号控制操作频率上升，当该等计数结果的后者小于前者，频率控制单元可根据第二比较信号控制操作频率下降。较佳者，频率控制单元包含数字比较器(digitalcomparator)及数值控制振荡器，其中数字比较器可经配置以比较等计数暂存器内的数值，数值控制振荡器可经配置以依据数字比较器的结果累计或降低数值控制振荡器的频率以控制操作频率。较佳者，参考电压可为输出端的电压加上预设电压值。较佳者，功率最佳化装置可进一步包含连接于计数器的低频振荡器，其可经配置以产生电压累积时间，以及相邻二电压累积时间之间的等待时间。根据本专利技术的另一态样，在于提供一种用于能量采集设备的功率最佳化方法，其适用于如前述的功率最佳化装置，方法包含下列步骤：以电荷泵自输入端接收能量采集设备的输入电压，并根据操作频率自输出端输出输出电压；以电压比较单元将电荷泵的输出端的电压与参考电压比较，当电荷泵的输出端的电压到达参考电压，输出第一比较信号；配置输出开关以根据第一比较信号在导通状态及关断状态之间切换；以计数器接收第一比较信号，并纪录在电压累积时间内，在不同的操作频率下，电荷泵的输出端的电压到达参考电压的次数，并产生复数个计数结果；以及以频率控制模组比较等电压累积时间中相邻二者的各计数结果产生比较结果，并根据比较结果控制电荷泵的操作频率。较佳者，在根据比较结果控制电荷泵的操作频率的步骤中，可进一步包含下列步骤：以计数暂存器储存计数器在电压累积时间中的相邻二者所分别产生的计数结果；以比较器比较该等计数结果并输出第二比较信号，若该等计数结果的后者大于前者，以频率控制单元根据第二比较信号控制操作频率上升，若该等计数结果的后者小于前者，以频率控制单元根据第二比较信号控制操作频率下降。较佳者，在频率控制单元根据第二比较信号控制操作频率的步骤中，可进一步包含下列步骤：配置数字比较器以比较等计数暂存器内的数值；以及配置数值控制振荡器以依据数字比较器的结果累计或降低数值控制振荡器的频率以控制操作频率。较佳者，参考电压可为输出端的电压加上预设电压值。较佳者，在以计数器纪录在电压累积时间内，电荷泵的输出端的电压到达参考电压的次数的步骤中，可进一步包含配置低频振荡器以产生电压累积时间，以及相邻二电压累积时间之间的等待时间。综上所述，依本专利技术的用于能量采集设备的功率最佳化装置，其可具有一或多个下述优点：依本专利技术的用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法，藉由在不同操作频率下检测系统的输出电压，得到增加或是降低电荷泵的操作频率的演算结果，如此可动态的根据能量采集设备所输出至储电单元的电压，并考量操作频率变动造成的能量损耗，以进行操作频率的调整，进而将系统的输出功率最佳化。此外，本专利技术的用于能量采集设备的功率最佳化装置及方法不需需要体积较大的电感作为储能元件，亦不需耗费能量进行开路电压的检测，除体积小可灵活适用于穿戴式装置外，亦不易受到环境温度影响，而可持续使系统输出功率最佳化。附图说明本专利技术的上述及其他特征及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于能量采集设备的功率最佳化装置，其包含：一电荷泵，包含一输入端、一输出端及一控制端，该电荷泵自该输入端接收一能量采集设备的一输入电压，并根据一操作频率自该输出端输出一输出电压；一电压比较单元，连接于该电荷泵的该输出端，以将该电荷泵的该输出端的电压与一参考电压比较，当该电荷泵的该输出端的电压到达该参考电压，输出一第一比较信号；一输出开关，连接于该电荷泵的该输出端及一储电单元之间，其根据该第一比较信号在一导通状态及一关断状态之间切换；一计数器，连接于该电压比较单元的一输出端以接收该第一比较信号，并纪录在一电压累积时间内，在不同的该操作频率该电荷泵的该输出端的电压分别到达该参考电压的次数，并产生复数个计数结果；以及一频率控制模组，连接于该计数器及该控制端之间，其比较相邻二该电压累积时间的所述计数结果产生一比较结果，并根据该比较结果控制该电荷泵的该操作频率。

【技术特征摘要】
2015.12.21 TW 1041429101.一种用于能量采集设备的功率最佳化装置，其包含：一电荷泵，包含一输入端、一输出端及一控制端，该电荷泵自该输入端接收一能量采集设备的一输入电压，并根据一操作频率自该输出端输出一输出电压；一电压比较单元，连接于该电荷泵的该输出端，以将该电荷泵的该输出端的电压与一参考电压比较，当该电荷泵的该输出端的电压到达该参考电压，输出一第一比较信号；一输出开关，连接于该电荷泵的该输出端及一储电单元之间，其根据该第一比较信号在一导通状态及一关断状态之间切换；一计数器，连接于该电压比较单元的一输出端以接收该第一比较信号，并纪录在一电压累积时间内，在不同的该操作频率该电荷泵的该输出端的电压分别到达该参考电压的次数，并产生复数个计数结果；以及一频率控制模组，连接于该计数器及该控制端之间，其比较相邻二该电压累积时间的所述计数结果产生一比较结果，并根据该比较结果控制该电荷泵的该操作频率。2.如权利要求1所述的功率最佳化装置，其中该频率控制模组包含：一计数暂存器，储存该计数器在相邻二该电压累积时间内分别产生的所述计数结果；一比较器，比较所述计数结果并输出一第二比较信号；以及一频率控制单元，连接于该比较器及该控制端之间，其中，当所述计数结果的后者大于前者，该频率控制单元根据该第二比较信号控制该操作频率上升，当所述计数结果的后者小于前者，该频率控制单元根据该第二比较信号控制该操作频率下降。3.如权利要求2所述的功率最佳化装置，其中频率控制单元包含一数字比较器及一数值控制振荡器，其中该数字比较器经配置以比较所述计数暂存器内的数值，该数值控制振荡器经配置以依据该数字比较器的结果累计或降低该数值控制振荡器的频率以控制该操作频率。4.如权利要求1所述的功率最佳化装置，其中该参考电压为该输出端的电压加上一预设电压值。5.如权利要求1所述的功率最佳化装置，其进一步包含连接于该计数器的一低频振荡器，其经配置以产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢仲铭，许伟展，
申请(专利权)人：新唐科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71