一种压电能量收集系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种压电能量收集系统及其控制方法，该压电能量收集系统包括压电能量收集器、有源整流器、Buck‑Boost变换器、异步控制电路、自启动预充电电路、峰值检测电路、电感输入端电压过零检测电路、VDD端能量存储单元、VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路、VST端能量存储单元、VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路、存储单元间能量转换电路、LDO稳压电路、VDD的内部稳压电路和低功耗基准电流源及参考电压产生电路。本发明专利技术引入超低功耗设计技术，改进已有电路结构，并对各电路模块进行性能优化与结构创新，使整个电路系统的静态功耗低至111.1nW，能量转换效率高至89.4％。此外，本发明专利技术具有芯片面积小，集成度高，完全自动化，环境适应能力强等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微能量收集
，特别涉及了一种压电能量收集系统及其控制方法。
技术介绍
目前，无线传感器节点的传统电池供电方式存在存储能力有限、寿命短的问题，定期更换电池会使成本大幅增加。而大自然环境中充满了大量的环境能量，如风能，太阳能，热能及振动能等。而又由于振动能是一种广泛存在的能量形式，因此通过压电能量换能器收集振动能具有普遍意义和广泛的应用前景。图1为一个典型的压电能量收集系统的结构框图，压电能量收集器将压电材料产生的振动能变换为交流电能输入到整流器中，整流器将交流电能变换为直流能量并转移到能量存储单元中，该能量存储单元可以是外部大电容或电池设备，然后能量存储单元中的直流能量通过DC-DC变换器变换为负载电路的电源。这种结构已被广泛应用，相关的产品可见Linear公司的LTC3588系列。然而这种结构的不足之处包括能量存储单元端的电压纹波很大，直接作为DC-DC变换器的电源，势必会影响电路的性能；该结构中没有电源自启动预充电电路，所以一旦电源电压很低或外界的振动能较弱时，整个能量收集系统就无法工作；此外，当外界存在丰富的振动能时，负载电路中的能量只能现存现用，剩下的过多能量并没有被其他的大电容或电池设备及时存储，以备环境中振动能较弱时，该能量收集系统还能够继续工作并为负载电路提供能量。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种压电能量收集系统及其控制方法，降低了压电能量收集系统的静态功耗，同时也提高了系统的能量转换效率。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种压电能量收集系统，包括压电能量收集器、有源整流器、Buck-Boost变换器、异步控制电路、自启动预充电电路、峰值检测电路、电感输入端电压过零检测电路、VDD端能量存储单元、VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路、VST端能量存储单元、VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路、存储单元间能量转换电路、LDO稳压电路、VDD的内部稳压电路和低功耗基准电流源及参考电压产生电路；所述Buck-Boost变换器包括第一电感、输入端开关、第一开关、第二开关、VDD端开关和VST端开关，输入端开关的一端作为Buck-Boost变换器的输入端，输入端开关的另一端连接第一电感的输入端子，第一电感的输入端子经第一开关与地线相连，第一电感的输出端子经第二开关与地线相连，VDD端开关的一端连接第一电感的输出端子，VDD端开关的另一端作为VDD电压输出端，VST端开关的一端连接第一电感的输出端子，VST端开关的另一端作为VST电压输出端；压电能量收集器的输出信号VP接入有源整流器的输入端，有源整流器的输出信号VR接入自启动预充电电路的输入端、Buck-Boost变换器的输入端以及峰值检测电路的输入端，自启动预充电电路的两个输出端分别连接VDD端能量存储单元和异步控制电路的UVLO输入端，Buck-Boost变换器的VDD电压输出端连接VDD端能量存储单元，Buck-Boost变换器的VST电压输出端连接VST端能量存储单元，LDO稳压电路的输入端和存储单元间能量转换电路的输入端分别连接VST端能量存储单元，LDO稳压电路的输出信号UVLOVST、VDD的内部稳压电路的输出信号UVLOVDD以及自启动预充电电路的输出信号UVLO分别接入存储单元间能量转换电路的输入端，存储单元间能量转换电路的输出端连接VDD端能量存储单元，峰值检测电路的输出端连接异步控制电路的Vpeak信号输入端，电感输入端电压过零检测电路输入端接入第一电感的输入端子电压VLX1，电感输入端电压过零检测电路的输出端连接异步控制电路的ZVD信号输入端，VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输入端分别接入第一电感的输出端子电压VLX2和Buck-Boost变换器的VDD电压，VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输出端连接异步控制电路的ZCDVDD信号输入端，VDD的内部稳压电路的输入端接入VDD电压，VDD的内部稳压电路的输出端连接异步控制电路的UVLOVDD信号输入端，VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输入端接入VDD电压、VST电压以及第一电感的输出端子电压VLX2，VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输出端连接异步控制电路的max、ZCDVst_P、ZCDVst1和ZCDVst2信号输入端，异步控制电路的输出端输出Buck-Boost变换器的一组开关信号，低功耗基准电流源及参考电压产生电路为各个电路单元提供偏置电流，并为LDO稳压电路提供稳定的参考电压。进一步地，所述有源整流器包括全波整流桥、最大电压选择电路以及有源二极管，最大电压选择电路包括第一～第三开关管，有源二极管包括迟滞比较器和第四开关管，且第一～第四开关管均为PMOS管；全波整流桥的输入端接入压电能量收集器的输出信号VP，全波整流桥的输出信号V接入第一开关管的漏极、第二开关管的栅极、第三开关的源极和第四开关管的漏极，第一～第四开关管的沟道均连到第一开关管的源极，第一开关管的源极连接第二开关管的源极，第三开关管的栅极连接第三开关管的漏极，第一开关管的栅极、第二开关管的漏极、第三开关管的漏极和第四开关管的源极分别作为有源整流器的输出端，输出信号VR，迟滞比较器的正输入端接入信号VR，迟滞比较器的负输入端接入信号V，迟滞比较器的输出端连接第四开关管的栅极，迟滞比较器的电源端连接第四开关管的沟道。进一步地，所述VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路包括环形振荡器、第一施密特触发器、动态锁存比较器、第二施密特触发器和第一上升沿脉冲检测电路；环形振荡器的使能端接入VDD端能量存储单元的充电状态信号，当VDD端能量存储单元的充电路径导通时，环形振荡器启动，第一施密特触发器输入端连接环形振荡器的输出端，第一施密特触发器的输出端连接动态锁存比较器的时钟信号端，动态锁存比较器的使能端接入第一开关的开关信号，动态锁存比较器的两个输入端分别接入第一电感的输出端子电压VLX2和VDD电压，第二施密特触发器的输入端连接动态锁存比较器的输出端，第二施密特触发器的输出端连接第一上升沿脉冲检测电路的输入端，第一上升沿脉冲检测电路的输出端连接异步控制电路的ZCDVDD信号输入端。进一步地，所述VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路包括第一PMOS输入对的迟滞比较器、第一NMOS输入对的迟滞比较器、第二NMOS输入对的迟滞比较器、VDD与VST电压比较器、第三～第五施密特触发器、第二～第四上升沿脉冲检测电路、RS触发器、第一～第三非门以及第一～第二与非门；第一PMOS输入对的迟滞比较器的两个输入端分别接入VST电压和第一电感的输出端子电压VLX2，第三施密特触发器的输入端连接第一PMOS输入对的迟滞比较器的输出端，第三施密特触发器的输出端连接第二上升沿脉冲检测电路的输入端，第二上升沿脉冲检测电路的输出端连接异步控制电路的ZCDVst_P信号输入端，第一PMOS输入对的迟滞比较器的使能端接入VST端能量存储单元的充电状态信号，当VST端能量存储单元的充电路径导通时，第一PMOS输入对的迟滞比较器工作；第一NMOS输入对的迟滞比较器的两个输入端分别接入VST电压和第一电感的输出端子电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电能量收集系统，其特征在于：包括压电能量收集器、有源整流器、Buck‑Boost变换器、异步控制电路、自启动预充电电路、峰值检测电路、电感输入端电压过零检测电路、VDD端能量存储单元、VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路、VST端能量存储单元、VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路、存储单元间能量转换电路、LDO稳压电路、VDD的内部稳压电路和低功耗基准电流源及参考电压产生电路；所述Buck‑Boost变换器包括第一电感、输入端开关、第一开关、第二开关、VDD端开关和VST端开关，输入端开关的一端作为Buck‑Boost变换器的输入端，输入端开关的另一端连接第一电感的输入端子，第一电感的输入端子经第一开关与地线相连，第一电感的输出端子经第二开关与地线相连，VDD端开关的一端连接第一电感的输出端子，VDD端开关的另一端作为VDD电压输出端，VST端开关的一端连接第一电感的输出端子，VST端开关的另一端作为VST电压输出端；压电能量收集器的输出信号VP接入有源整流器的输入端，有源整流器的输出信号VR接入自启动预充电电路的输入端、Buck‑Boost变换器的输入端以及峰值检测电路的输入端，自启动预充电电路的两个输出端分别连接VDD端能量存储单元和异步控制电路的UVLO输入端，Buck‑Boost变换器的VDD电压输出端连接VDD端能量存储单元，Buck‑Boost变换器的VST电压输出端连接VST端能量存储单元，LDO稳压电路的输入端和存储单元间能量转换电路的输入端分别连接VST端能量存储单元，LDO稳压电路的输出信号UVLOVST、VDD的内部稳压电路的输出信号UVLOVDD以及自启动预充电电路的输出信号UVLO分别接入存储单元间能量转换电路的输入端，存储单元间能量转换电路的输出端连接VDD端能量存储单元，峰值检测电路的输出端连接异步控制电路的Vpeak信号输入端，电感输入端电压过零检测电路输入端接入第一电感的输入端子电压VLX1，电感输入端电压过零检测电路的输出端连接异步控制电路的ZVD信号输入端，VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输入端分别接入第一电感的输出端子电压VLX2和Buck‑Boost变换器的VDD电压，VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输出端连接异步控制电路的ZCDVDD信号输入端，VDD的内部稳压电路的输入端接入VDD电压，VDD的内部稳压电路的输出端连接异步控制电路的UVLOVDD信号输入端，VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输入端接入VDD电压、VST电压以及第一电感的输出端子电压VLX2，VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输出端连接异步控制电路的max、ZCDVst_P、ZCDVst1和ZCDVst2信号输入端，异步控制电路的输出端输出Buck‑Boost变换器的一组开关信号，低功耗基准电流源及参考电压产生电路为各个电路单元提供偏置电流，并为LDO稳压电路提供稳定的参考电压。...

【技术特征摘要】
1.一种压电能量收集系统，其特征在于：包括压电能量收集器、有源整流器、Buck-Boost变换器、异步控制电路、自启动预充电电路、峰值检测电路、电感输入端电压过零检测电路、VDD端能量存储单元、VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路、VST端能量存储单元、VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路、存储单元间能量转换电路、LDO稳压电路、VDD的内部稳压电路和低功耗基准电流源及参考电压产生电路；所述Buck-Boost变换器包括第一电感、输入端开关、第一开关、第二开关、VDD端开关和VST端开关，输入端开关的一端作为Buck-Boost变换器的输入端，输入端开关的另一端连接第一电感的输入端子，第一电感的输入端子经第一开关与地线相连，第一电感的输出端子经第二开关与地线相连，VDD端开关的一端连接第一电感的输出端子，VDD端开关的另一端作为VDD电压输出端，VST端开关的一端连接第一电感的输出端子，VST端开关的另一端作为VST电压输出端；压电能量收集器的输出信号VP接入有源整流器的输入端，有源整流器的输出信号VR接入自启动预充电电路的输入端、Buck-Boost变换器的输入端以及峰值检测电路的输入端，自启动预充电电路的两个输出端分别连接VDD端能量存储单元和异步控制电路的UVLO输入端，Buck-Boost变换器的VDD电压输出端连接VDD端能量存储单元，Buck-Boost变换器的VST电压输出端连接VST端能量存储单元，LDO稳压电路的输入端和存储单元间能量转换电路的输入端分别连接VST端能量存储单元，LDO稳压电路的输出信号UVLOVST、VDD的内部稳压电路的输出信号UVLOVDD以及自启动预充电电路的输出信号UVLO分别接入存储单元间能量转换电路的输入端，存储单元间能量转换电路的输出端连接VDD端能量存储单元，峰值检测电路的输出端连接异步控制电路的Vpeak信号输入端，电感输入端电压过零检测电路输入端接入第一电感的输入端子电压VLX1，电感输入端电压过零检测电路的输出端连接异步控制电路的ZVD信号输入端，VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输入端分别接入第一电感的输出端子电压VLX2和Buck-Boost变换器的VDD电压，VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输出端连接异步控制电路的ZCDVDD信号输入端，VDD的内部稳压电路的输入端接入VDD电压，VDD的内部稳压电路的输出端连接异步控制电路的UVLOVDD信号输入端，VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输入端接入VDD电压、VST电压以及第一电感的输出端子电压VLX2，VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路的输出端连接异步控制电路的max、ZCDVst_P、ZCDVst1和ZCDVst2信号输入端，异步控制电路的输出端输出Buck-Boost变换器的一组开关信号，低功耗基准电流源及参考电压产生电路为各个电路单元提供偏置电流，并为LDO稳压电路提供稳定的参考电压。2.根据权利要求1所述一种压电能量收集系统，其特征在于：所述有源整流器包括全波整流桥、最大电压选择电路以及有源二极管，最大电压选择电路包括第一～第三开关管，有源二极管包括迟滞比较器和第四开关管，且第一～第四开关管均为PMOS管；全波整流桥的输入端接入压电能量收集器的输出信号VP，全波整流桥的输出信号V接入第一开关管的漏极、第二开关管的栅极、第三开关的源极和第四开关管的漏极，第一～第四开关管的沟道均连到第一开关管的源极，第一开关管的源极连接第二开关管的源极，第三开关管的栅极连接第三开关管的漏极，第一开关管的栅极、第二开关管的漏极、第三开关管的漏极和第四开关管的源极分别作为有源整流器的输出端，输出信号VR，迟滞比较器的正输入端接入信号VR，迟滞比较器的负输入端接入信号V，迟滞比较器的输出端连接第四开关管的栅极，迟滞比较器的电源端连接第四开关管的沟道。3.根据权利要求1所述一种压电能量收集系统，其特征在于：所述VDD端能量存储单元的充电电流过零检测电路包括环形振荡器、第一施密特触发器、动态锁存比较器、第二施密特触发器和第一上升沿脉冲检测电路；环形振荡器的使能端接入VDD端能量存储单元的充电状态信号，当VDD端能量存储单元的充电路径导通时，环形振荡器启动，第一施密特触发器输入端连接环形振荡器的输出端，第一施密特触发器的输出端连接动态锁存比较器的时钟信号端，动态锁存比较器的使能端接入第一开关的开关信号，动态锁存比较器的两个输入端分别接入第一电感的输出端子电压VLX2和VDD电压，第二施密特触发器的输入端连接动态锁存比较器的输出端，第二施密特触发器的输出端连接第一上升沿脉冲检测电路的输入端，第一上升沿脉冲检测电路的输出端连接异步控制电路的ZCDVDD信号输入端。4.根据权利要求1所述一种压电能量收集系统，其特征在于：所述VST端能量存储单元的充电电流过零检测电路包括第一PMOS输入对的迟滞比较器、第一NMOS输入对的迟滞比较器、第二NMOS输入对的迟滞比较器、VDD与VST电压比较器、第三～第五施密特触发器、第二～第四上升沿脉冲检测电路、RS触发器、第一～第三非门以及第一～第二与非门；第一PMOS输入对的迟滞比较器的两个输入端分别接入VST电压和第一电感的输出端子电压VLX2，第三施密特触发器的输入端连接第一PMOS输入对的迟滞比较器的输出端，第三施密特触发器的输出端连接第二上升沿脉冲检测电路的输入端，第二上升沿脉冲检测电路的输出端连接异步控制电路的ZCDVst_P信号输入端，第一PMOS输入对的迟滞比较器的使能端接入VST端能量存储单元的充电状态信号，当VST端能量存储单元的充电路径启动时，第一PMOS输入对的迟滞比较器工作；第一NMOS输入对的迟滞比较器的两个输入端分别接入VST电压和第一电感的输出端子电压VLX2，第四施密特触发器的输入端连接第一NMOS输入对的迟滞比较器的输出端，第四施密特触发器的输出端连接第三上升沿脉冲检测电路的输入端，第三上升沿脉冲检测电路的输出端连接异步控制电路的ZCDVst1信号输入端；第二NMOS输入对的迟滞比较器的两个输入端分别接入VST电压和第一电感的输出端子电压VLX2，第五施密特触发器的输入端连接第二NMOS输入对的迟滞比较器的输出端，第五施密特触发器的输出端连接第四上升沿脉冲检测电路的输入端，第四上升沿脉冲检测电路的输出端连接异步控制电路的ZCDVst2信号输入端；VDD与VST电压比较器的两个输入端分别接入VDD电压和VST电压，VDD与VST电压比较器的输出端连接第一非门的输入端，第一非门的输出端连接第二非门的输入端，第二非门的输出端连接异步控制电路的max信号输入端，第一与非门的两个输入端分别连接第二非门的输出端和第二与非门的一个输入端，第二与非门的另一输入端连接第一非门的输出端；第一与非门的输出端连接第二NMOS输入对的迟滞比较器的使能端，当第一与非门输出低电平时，第二NMOS输入对的迟滞比较器工作，第二与非门的输出端连接第一NMOS输入对的迟滞比较器的使能端，当第二与非门输出低电平时，第一NMOS输入对的迟滞比较器工...

【专利技术属性】
技术研发人员：张长春，王兆悦，郭宇锋，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32