用于使用冷启动电压转换器进行能量采集的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种用于能量采集的方法。所述方法使用辅助能量储存设备作为主电压转换器系统的控制器的电压源。所述辅助能量储存设备最初用冷启动电压转换器进行充电，并且此后主电压转换器系统对第一可再充电能量储存设备进行充电，直到达到上限充电阈值水平。监测所述辅助能量储存设备的电压并保持所述电压等于适合于操作所述控制器的目标值，或者替代性地将其保持处于与用于操作所述主电压转换器系统的控制器的电源电压范围相对应的预定义电压范围内。本发明专利技术还涉及一种用于能量采集的电力管理集成电路，所述电力管理集成电路包括冷启动和主电压转换器系统，并且其中，内部电压节点被保持在目标值或处于适合作为主电压转换器系统的控制器的电源电压的电压范围内。转换器系统的控制器的电源电压的电压范围内。转换器系统的控制器的电源电压的电压范围内。

Method and equipment for energy acquisition using a cold start voltage converter

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用冷启动电压转换器进行能量采集的方法和设备
专利

[0001]本专利技术涉及一种用于能量采集的方法和设备。更具体地，本专利技术涉及一种用于使用包括冷启动电压转换器和主电压转换器系统的电力管理集成电路(PMIC)来开始对可再充电储存设备进行充电的方法和设备。现有技术说明
[0002]使用电压转换器从能量采集器提取能量并对可再充电能量储存设备进行充电是本领域众所周知的。储存在可再充电储存设备中的能量然后例如可以被用作应用负载的电源。要用采集到的能量供电的应用负载可以是如例如便携式设备、传感器、外部电路、无线发射器等任何类型的应用。
[0003]多种能量采集器可以用作能量源，如例如光伏电池(PV)、热电发电机(TEG)、压电式能量发生器和电磁能量源。可再充电储存设备例如是如锂离子电池等可再充电电池、超级电容器或传统电容器。
[0004]通常，用于能量采集的集成电路包括主电压转换器系统，该主电压转换器系统包括一个或多个电压转换器，如升压电压转换器、降压电压转换器或降压
‑
升压DC
‑
DC电压转换器。主电压转换器系统的操作由控制器控制。控制器需要电源电压，例如2.5V、3.3V或5V电源电压。
[0005]然而，用于能量采集的PMIC中没有为控制器供电的内部电源。在现有技术PMIC的情况下，控制器从连接到PMIC的输出端子的可再充电能量储存设备接收电力。在一些已知的实施例中，PMIC包括例如降压转换器，该降压转换器用于将可再充电能量储存设备的电压转换成控制器所需的电源电压。在其他实施例中，控制器通过开关连接到与储存设备相同的电压。
[0006]由于可再充电能量储存设备最初未充电，因此除了主电压转换器系统之外，PMIC还包括冷启动电压转换器，用于在不使用主电压转换器系统的情况下开始从能量采集器获取能量。然而，当与由控制器调节的主电压转换器系统的效率相比时，例如包括电荷泵的冷启动电压转换器的效率低下。通常，使用冷启动电压转换器，直到可再充电能量储存设备充分充电以提供开始运行主电压转换器系统所需的电源电压。这些冷启动电压转换器是被配置成在冷启动电压转换器的输入端处的输入电压高于最小阈值时开始运行的自启动电压转换器。已知参考号为AEM10940且由e
‑
peas S.A.Belgium提供的PMIC包括例如冷启动电压转换器，该冷启动电压转换器在低至380mV的输入电压Vin和至少11微瓦的输入功率下开始运行。
[0007]能量采集系统的问题之一是当最初以耗尽的可再充电储存设备开始时，用冷启动电压转换器对可再充电储存设备进行充电需要很长时间。因此，应用负载也需要很长时间才能从可再充电储存设备接收电力并开始运行。尤其是如果可再充电储存设备是完全放电时电压为零伏的超级电容器，则超级电容器的充电时间可能会非常长。而且，将可再充电电池充电至所需的充电水平以准备好在足够长的时间段内向应用负载供电可能也需要相当长的充电时间。
[0008]PMIC的另一个问题是，当对可再充电能量储存设备充电后，只要该可再充电能量储存设备的电压保持在与控制器所需的电源电压相对应的阈值电压以上，应用负载就只能从可再充电能量储存设备接收电力。例如，可再充电储存设备最初可以被充电至4.5V，但是当该电压此后降低到低于例如2.5V电源电压时，PMIC停止运行。即使外部负载只需要例如1.2V电源电压，也会发生这种情况。当使用电容器或超级电容器作为储存设备时，储存在储存设备中的所有能量不能用于为负载供应电力，并且为了实现应用的目标能量自主性，需要储存设备的尺寸过大，目标能量自主性是不发生能量采集的时间段。
[0009]因此，用于能量采集的集成电路存在改进空间。专利技术概述
[0010]本专利技术的目的是提供一种用于以高效方式进行能量采集以及开始对可再充电能量储存设备进行充电的方法和设备，使得例如甚至在可再充电储存设备最初完全耗尽的情况下，与可再充电能量储存设备耦接的应用负载也可以更快地开始运行。
[0011]本专利技术在所附独立权利要求中被限定。从属权利要求限定了有利的实施例。
[0012]根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于使用电力管理集成电路PMIC进行能量采集的方法，该电力管理集成电路包括冷启动电压转换器、主电压转换器系统和用于控制主电压转换器系统的控制器。如果控制器的电源输入端处的电源电压V
sup
等于或高于最小所需电源电压V
CS
，则控制器是可操作的。主电压转换器系统将被解释为包括至少一个主电压转换器(如例如降压/升压电压转换器)的系统。
[0013]根据本专利技术的第一方面的方法包括以下步骤：
·
将能量采集器耦接到主电压转换器系统的输入端，
·
将第一可再充电能量储存设备耦接到主电压转换器系统的输出端，
·
将能量采集器或另一个能量源耦接到冷启动电压转换器的输入端，
·
将辅助可再充电能量储存设备、优选地电容器耦接到冷启动电压转换器的输出端，
·
将辅助可再充电能量储存设备耦接到控制器的电源输入端，以在充电时将辅助可再充电能量储存设备用作控制器的专用电压源，
·
监测辅助可再充电能量储存设备的辅助电压V
C
，并监测指示第一可再充电能量储存设备的充电水平的第一储存参数V
Batt1
，
·
通过操作冷启动电压转换器对辅助可再充电能量储存设备进行充电，直到辅助电压V
C
已经达到预定义开关电压V
SW
，其中V
SW
≥V
CS
，
·
如果辅助电压V
C
已经达到预定义开关电压V
SW
，则启用主电压转换器系统的操作并禁用冷启动电压转换器的操作，
·
只要第一可再充电能量储存设备的第一储存参数V
Batt1
低于预定义上限储存值V
Batt1
‑
up
，就操作主电压转换器系统以用来自能量采集器的能量对第一可再充电能量储存设备进行充电，并且在所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的充电期间，维持所述辅助可再充电能量储存能量设备(C1)与第一可再充电能量储存设备(BATT1)电分离，
·
维持辅助可再充电能量储存设备的辅助电压V
C
：a)等于目标值，或者替代性地，b)处于下限阈值电压(V
sup
‑
min
)与高于所述下限阈值电压(V
sup
‑
min
)的上限阈值电压
(V
sup
‑
max
)之间的电压范围内，并且其中，所述目标值和所述下限阈值电压(V
sup
‑
min
)等于或低于所述预定义开关电压(V
SW
)并且高于所述最小所需电源电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于使用电力管理集成电路进行能量采集的方法，所述电力管理集成电路包括冷启动电压转换器、主电压转换器系统(20)和用于控制所述主电压转换器系统的控制器(40)，并且其中，如果所述控制器的电源输入端处的电源电压(V
sup
)等于或高于最小所需电源电压(V
CS
)，则所述控制器是可操作的，所述方法包括以下步骤：
·
将能量采集器(70)耦接到所述主电压转换器系统的输入端，
·
将第一可再充电能量储存设备(BATT1)耦接到所述主电压转换器系统的输出端，
·
将所述能量采集器(70)或另一个能量源耦接到所述冷启动电压转换器的输入端，
·
将辅助可再充电能量储存设备(C1)、优选地电容器耦接到所述冷启动电压转换器的输出端，
·
将所述辅助可再充电能量储存设备(C1)耦接到所述控制器的电源输入端，以在充电时将所述辅助可再充电能量储存设备(C1)用作所述控制器的电压源，
·
监测所述辅助可再充电能量储存设备(C1)的辅助电压(V
C
)，并监测指示所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的充电水平的第一储存参数(V
Batt1
)，
·
通过操作所述冷启动电压转换器来对所述辅助可再充电能量储存设备(C1)进行充电，直到所述辅助电压(V
C
)已经达到等于或高于所述最小所需电源电压(V
CS
)的预定义开关电压(V
SW
)，
·
如果所述辅助电压(V
C
)已经达到所述预定义开关电压(V
SW
)，则启用所述主电压转换器系统的操作并禁用所述冷启动电压转换器的操作，
·
只要所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的所述第一储存参数(V
Batt1
)低于预定义上限储存值(V
Batt1
‑
up
)，就操作所述主电压转换器系统(20)以用来自所述能量采集器(70)的能量对所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)进行充电，以及在所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的所述充电期间，维持所述辅助可再充电能量储存能量设备(C1)与所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)电分离，
·
维持所述辅助可再充电能量储存设备(C1)的所述辅助电压(V
C
)：a)等于目标值，或者替代性地，b)处于下限阈值电压(V
sup
‑
min
)与高于所述下限阈值电压(V
sup
‑
min
)的上限阈值电压(V
sup
‑
max
)之间的电压范围内，并且其中，所述目标值和所述下限阈值电压(V
sup
‑
min
)等于或低于所述预定义开关电压(V
SW
)并且高于所述最小所需电源电压(V
CS
)，并且其中，所述维持所述辅助电压等于所述目标值或者处于所述电压范围内包括：操作所述主电压转换器系统，或者替代性地操作所述冷启动电压转换器，以用来自所述能量采集器(70)的能量对所述辅助能量储存设备(C1)进行再充电。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述维持所述辅助电压(V
C
)等于目标值包括：持续补偿所述辅助能量储存设备(C1)的电荷减少，使得所述辅助电压(V
C
)保持等于所述目标值，并且其中，所述维持所述辅助电压(V
C
)处于下限阈值电压(V
sup
‑
min
)和上限阈值(V
sup
‑
max
)之内包括：如果所述辅助电压(V
C
)已经下降到低于所述下限阈值电压(V
sup
‑
min
)，则对所述辅助可
再充电能量储存设备(C1)进行再充电，直到所述辅助电压(V
C
)已经达到所述上限阈值电压(V
sup
‑
max
)。3.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述辅助电压(V
C
)下降到低于所述下限阈值电压(V
sup
‑
min
)，则所述主电压转换器系统被操作用于用来自所述能量采集器(70)的能量对所述辅助可再充电能量储存设备(C1)进行再充电，并且其中，所述再充电包括以下步骤：i)将所述主电压转换器系统的输出端与所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)断开耦接，ii)将所述主电压转换器系统的输出端耦接到所述辅助可再充电能量储存设备(C1)，并操作所述主电压转换器系统以对所述辅助可再充电能量储存设备(C1)进行再充电，直到所述辅助电压(V
C
)已经达到所述上限阈值电压(V
sup
‑
max
)，iii)如果所述辅助电压(V
C
)已经达到所述上限阈值电压(V
sup
‑
max
)，则将所述主电压转换器系统的输出端与所述辅助可再充电能量储存设备(C1)断开耦接，并将所述主电压转换器系统的输出端耦接到所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)。4.根据权利要求1或权利要求3所述的方法，其中，在以下情况下用来自所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的能量对所述辅助可再充电能量储存设备(C1)进行再充电：a)所述第一储存参数(V
Batt1
)高于预定义下限储存值(V
Batt1
‑
min
)，以及b)所述辅助电压(V
C
)下降到低于所述下限阈值电压(V
sup
‑
min
)并且所述能量采集器未提供能量，或者所述辅助电压(V
C
)从高于所述下限阈值电压(V
sup
‑
min
)的值下降到低于预定义临界阈值电压(V
T
‑
B
)，其中V
CS
<V
T
‑
B
<V
sup
‑
min
，其中，V
CS
、V
T
‑
B
和V
sup
‑
min
分别是所述最小所需电源电压、所述临界阈值电压和所述下限阈值电压，并且其中，所述再充电包括以下步骤：i)将所述能量采集器(70)与所述主电压转换器系统的输入端断开耦接，ii)将所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)与所述主电压转换器系统的输出端断开耦接，iii)将所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)耦接到所述主电压转换器系统的输入端，iv)将所述主电压转换器系统的输出端耦接到所述辅助可再充电能量储存设备(C1)，并操作所述主电压转换器系统以对所述辅助可再充电能量储存设备(C1)进行再充电，直到所述辅助电压V
C
已经达到所述上限阈值电压(V
sup
‑
max
)，v)如果所述辅助电压(V
C
)已经达到所述上限阈值电压(V
sup
‑
max
)，则将所述能量采集器重新耦接到所述主电压转换器系统的输入端，并将所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)重新耦接到所述主电压转换器系统的输出端。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：
·
如果所述辅助电压(V
C
)已经从所述下限阈值电压(V
sup
‑
min
)降低到低于所述最小所需电源电压(V
CS
)的值，则启用所述冷启动电压转换器的操作，以对所述辅助可再充电能量储存设备(C1)进行再充电，直到达到所述预定义开关电压V
SW
，并且随后禁用所述冷启动电压转换器的操作并启用所述主电压转换器系统的操作。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述主电压转换器系统(20)包括第一电压转换器(20a)和第二电压转换器(20b)，并且其中，所述用来自所述能量采集器(70)
的能量对所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)进行充电是通过操作所述第一电压转换器(20a)来执行的，并且所述用来自所述能量采集器(70)的能量或用来自所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的能量对所述辅助可再充电能量储存设备(C1)进行再充电是通过操作所述第二电压转换器(20b)来执行的，并且其中，所述辅助可再充电能量储存设备(C1)的所述再充电是独立于所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的所述充电而执行的。7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述主电压转换器系统(20)包括降压/升压电压转换器，所述降压/升压电压转换器被配置用于在V
in
>(V
out
+Δ)时在降压模式下操作，在V
in
<(V
out
‑
Δ)时在升压模式下操作，并且在V
in
＝V
out
±
Δ时在降压
‑
升压模式下操作，其中V
in
和V
out
分别是所述主电压转换器系统的输入电压和输出电压，并且Δ是所述降压/升压电压转换器的操作参数。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的能量储存容量是所述辅助可再充电能量储存设备(C1)的能量储存容量的百倍以上、优选地数千倍以上。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：
·
如果在对所述第一可再充电储存设备(BATT1)进行充电之后，所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的第一储存参数(V
Batt1
)下降到低于所述上限储存值(V
Batt1
‑
up
)，则操作所述主电压转换器系统(20)以用来自所述能量采集器(70)的能量对所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)进行再充电，以便维持对所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)充电，并且在所述第一可再充电能量储存设备(BATT1)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利安，
申请(专利权)人：电子便携式能源自主系统股份公司，
类型：发明
国别省市：