[发明专利]一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域中的整流器以及功率管理设计技术，特别涉及一种宽输入范围高效率的集成压电能量获取系统。

背景技术

传感器、接口电路和功率管理电路构成了无线能量获取技术的关键电路模块。

接口电路最重要的构成部分之一就是ACDC整流电路，而合理的功率管理电路是把收集到的能量有效应用的重要保证。传感器获取的能量以交流信号的形式输出，无法直接为负载供电，因而用各种结构的ACDC整流电路把交流信号转换为稳定的直流输出。然而，一般情况下，虽然ACDC整流电路把交流信号转换为稳定的直流输出，但由于获得的功率不足以提供给下一级有效使用，此时，采用功率管理电路让整个能量积攒到一定量值，才供给下一级，这样可保证能量的有效应用。

鉴于此，如何提高电压转化效率，功率转化效率一直是研究者研究的方向，同时如何设计一种最大程度地获取环境中的能量，如何降低最小的输入电压，增大输入电压范围以及有效的应用获取的集成能量获取系统也是研究者积极探索的方面。

使用在MOS管的栅极加一个稳定的直流电压的静态阈值补偿技术，可使器件处于亚阈值开启状态。如图1所示，NMOS和PMOS管的栅极各加了一个直流电压源偏置。当输入交流信号V_in处于负半周期时，PMOS管截止，NMOS管导通，电流I₁给储能电容C₁充电，经过多个周期的充电后，C₁两端的电压差可以稳定在输入交流信号V_in的峰峰值的一半。当输入电压V_in处于正半周期时，NMOS管截止，PMOS管导通，电流I₂给储能电容C₂充电，输出直流电压V_out。由此可见，当V_a接地时，储能电容C₁上的电压值达到了输入信号V_in的峰峰值的一半，因此输出的直流电压V_out等于输入信号V_in的峰峰值V_pp。

这种整流器的不足之处是需要额外的静态直流偏置电路，而且当栅极的静态直流偏置电压过大时，会导致反向漏电流的增加，把储能电容上面的能量泄漏到地，这样会大大降低整流器的整流效率。

使用在全波桥式整流器之前加上并联同步电感电路(Parallel synchronized switch harvesting and an inductor，简称P-SSHI)与之形成的整流电路(P-SSHI Rectifier)可以整体上提高从能量获取器获取能量的效率。如图2所示，在没有P-SSHI电路结构的情况下，当I_p实际流到输出时，能量获取器上的输出电流需要向内部电容C_p充电或向地放电，这样浪费了大量获取的电荷，限制了获取的能量效率。当P-SSHI电路作用时，当V_B<V_A<V_rect,SW₁闭合，D₁断开，SW₂与D₂都断开，因此没有电流通过P-SSHI电路从A流过B，也没有电流输出，电容C_p被I_p充电；当V_A＝V_rect时，D₃与D₆通路，电流流出；当I_p为零，且即将改变方向时，C_p开始放电，V_A减小，D₃，D₆关闭，。SW₁打开，SW₂闭合，因此，C_p，SW₂，D₂，L_F形成振荡环路。环路中的L_F与C_p，使通过C_p的电压有效翻转，电容中所有的能量最初都转化到电感中，当电压翻转之后，电感中的能量又被充到电容中，由于环路中D₂的存在，电流只能从A到SW₂，D₂，B。这一过程充分利用了获取的能量，提高了获取能量效率。以上的描述中的二极管为理想二极管。