能量采集电路的工作原理

Fig.1(a)是智慧物联网节点框架原理图，节点主要包括能量采集系统、信号处理器、传感器、收发机模块，其中能量采集系统用于把环境中多种可用能量源，如太阳能、热能、射频信号能量、微生物分解化学能、振动能量通过fig1(b)模块的电源管理模块进行收集存储、对智慧传感器节点进行供电，使其可以正常的工作。随着物联网时代的到来，未来将会有数以亿计的传感器节点分布在我们的生活中用于环境监测、健康、工业、交通、智能家居、智慧城市等各个领域为我们提供更加安全、舒适、便捷、高效的生活环境。传统的传感器节点主要存在三大缺点：一需要电池供电，即使采用低功耗技术用于延长节点的寿命，但也会存在长期工作带来电池损耗，导致节点工作寿命的缩短，无法长期重复利用，带来较大的传感器节点部署成本;二过大的电池将会使节点增加了节点的尺寸不便于可穿戴领域的监测和使用。三传统的能量采集电路采用带有off-Ship 电感的Boost电路用于升压，提供给节点不同的电压，即使采用片上可集成电感技术来实现节点的集成来说，过大的电感将会增加芯片的面积和制造成本。目前，采用片上电容DC-DC电源转换管理技术使得能量采集技术，使得电源管理芯片具有可集成、低功耗、尺寸小等优点，已经成为未来物联网节点的能量之源。

文中提出的能量采集系统架构原理图如Fig.2所示。图中通过solar cell采集太阳能作为系统能量输入，对于太阳能单元模块的建模可以看出其内阻RS随着光照强度变化不断变化，为了获得最大能量采集，基本原理还是将能量采集系统的等效输入电阻Rcp可以实现与RS匹配来得到最大输出功率采集。能量采集系统主要包括电流饥饿型振荡器、辅助振荡器、x3可变泵电容的电荷泵、滞后调节器、时域MPPT的有限状态机(包括时间转数字转换器)、用于存储暂时能量采集的缓冲电容。整个系统工作流程如下：启始时，电流饥饿型振荡器为辅助振荡器、辅助振荡器、x3可变泵电容的电荷泵提供时钟信号进行升压，使系统进入正常稳定工作状态，启动过程阶段滞后控制器的调节通过和MPPT环路均不工作。当输入电压达到3.3V以后开始进入正常工作模式，两个稳定环路开始工作。滞后比较器由两个开关阈值VH和VL，当Vcp电压高于阈值VH电压时，慢速滞后控制比较器输出信号开关Msw打开，使存储在缓冲电容中的能量提供个负载。能量快速下降，当Vcp电压低于阈值VL电压时，此时采用滞后控制器中高速比较器准确输出控制信号断开开关Msw，将采集能量源的能量暂时储存在缓冲电容中，重复以上过程。在系统工作过程中，最大功率点追踪在Vcp电压低于阈值VL电压时比较器准确输出信号断开开关Msw之后Vcp电压充电上升至VH之前。系统时钟CLK由电流饥饿型振荡器产生，与此同时主电荷泵时钟CLK1,2进行2倍频生成CLKSEN信号提供给FSM进行计数，其中当滞后调节器输出SSW作为有限状态机的驱动时钟，有限状态机对CLKSEN进行计数，当充电到VH的充电时间Tr越长时，计数器时钟越大，便实现了时间到数字的转换。当充电时间计数越多时，说明充电时间Tr越慢，输出功率越小。反之，当充电时间计数越少时，说明充电时间Tr越快，输出功率越大。(有公式推导证明)通过时间计数的多少完成了功率大小的比较。基本上所有电荷泵都可以使用变压器模型进行建模如图

图三电荷泵与PV cell 等效模型

三，我们得出电荷泵的等效SSL输入电阻与电荷泵的时钟频率和泵电容大小的乘积成反比，因此为了实现电阻匹配达到最大功率传输，通过修改频率和电荷泵电容参数之一便可以达到修改输入电阻，实现阻抗的匹配。文中为了降低功耗，不采用改变时钟频率的方式，而采用电容阵列修改泵电容大小来完成输入阻抗的改变。MPPT工作开始时，电荷泵电容阵列为最大，如电容数目为N，也就是此时输入电阻Rcp的数值最小时，通过对缓冲电容充电至放电前记录充电时间计数器数值T1，缓冲电容放电，并复位计数器模块，开始新一轮充放电过程。接着电荷泵电容阵列数目减小，电容数目为N-1，输入电阻Rcp的数值增大，通过对缓冲电容充电至放电前记录充电时间计数器数值T2，比较两个计数器大小决定是否减少电容数目，继续MPPT过程，直至Tr充电时间最短时，即计数器数目最小时，此时功率最大，完成MPPT过程，并锁定此状态。大概过程就是，改变泵电容大小，实现电荷泵输入电阻的改变，寻找最佳匹配电阻值，通过功率大小体现电阻的匹配程度。功率越大说明匹配性越好，反之电阻匹配性差。那么问题来了，功率大小如何比较呢?文中便采用计数时间的长短与功率大小的关系，通过计数器记录充电时间的长短，完成输出功率大小比较，最终找到最大的输出功率。文中采用共用滞后控制器在FSM和调节路径，降低了静态功耗，另外对于X3电荷泵通过采用新结构，增大栅源电压和2组非重叠时钟降低了开关的导通电阻和传导损耗以及反应电荷传输。除此之外，文中的MPPT过程是一个单边的寻迹过程，将不会出现双边MPPT寻找过程中出现振荡现象，造成最大功率点追踪的失败。所有模块尽量减少使用模拟电路单元，更多使用数字单元代替，为了降低静态功耗，提高功率的转换效率。