一种能够减小开路电压采样时间的能量采集系统

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种能够减小开路电压采样时间的能量采集系统。

背景技术

随着现代智能电网的发展，无线传感器网络已成为实现电网状态监测的首选技术方案，在智能家居、智能用电计量等方面也可发挥重要作用，因此，无线传感器技术业已经成为智能电网发展过程中的热点技术。无线传感器网络节点一般都是静止不动且可能处于人难以抵达的位置，因此更换电池的行为是十分困难的，所以无线传感器网络节点中的能源管理问题是延长其应用寿命和降低成本的关键。

无线传感器网络节点的能量管理系统中启用能量收集功能是延长电池使用时间的有效途径；能量收集技术又称能量采集技术，它是一种将环境中未使用的能量收集起来并转换成可直接利用电能的技术，最大功率点的采集以及低功耗模块设计将是其中的两个难点。

能量转换器的输出曲线是非线性的，因此存在特定的最大功率点，而MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点追踪)电路就是去获取最大功率点电压，常见的方法有开路电压法、短路电流法和爬山法等。针对于开路电压法，MPPT在追踪时首先开路DC端来测量开路电压，然后通过算法来计算最大功率电压；在能量微弱时采集开路电压需要很长的时间，在这个过程中系统处于休眠状态会浪费很多的能量。对于能量采集系统，P管开通时，系统对输出电容进行充电，电感电流下降，为了避免电感电流过零导致输出电容反向放电，所以需要ZCD(Zero Crossing Detector，过零检测器)电路以检测电感电流是否过零，以往的ZCD电路将输出电压和电路的SW(Switch，开关)信号比较后输出过零信号，其中比较器是必不可少的部分，往往这部分的耗电还是比较大的。

文献[Bose.S,Anand.T,Johnston.M.L.“A 3.5-mV Input Single-InductorSelf-Starting Boost Converter With Loss-Aware MPPT for Efficient AutonomousBody-Heat Energy Harvesting”[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2020,PP(99):1-1]中提出了数字ZCD的概念，其将ZCD的输出以数字形式表达并将系统损耗与MPPT电路效率结合，以数字的方式固定了16组工作频率和占空比，但结构上较为复杂。文献[K.Kadirvel et al.“A330nA energy-harvesting charger with battery managementfor solar and thermoelectric energy harvesting”in IEEE Int.Solid-StateCircuits Conf.(ISSCC)Dig.Tech.Papers,Feb.2012,pp.106–108]中采用传统的FOCV-MPPT方式，其开路电压采样时间高达数百毫秒，因此不得不将MPPT的工作周期调长以适应该采样时间，从而造成了效率的损耗。

对于现有的能量采集系统而言，输入电压要求越来越低，工作范围要求越来越大，因此在较低输出功率时，对系统功耗以及开路电压的采样时间提出了高要求。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种能够减小开路电压采样时间的能量采集系统，能够大大减小最大功率点追踪时开路电压采样时间，同时使用数字电路形式大大降低ZCD模块功耗，由于MPPT和ZCD的输出都是数字信号，可以复用逻辑单元以减小面积。

一种能够减小开路电压采样时间的能量采集系统，包括：

能量转换电路，用于将环境中其他形式的能量收集转换成电能，并实现最大功率输出；

MPPT电路，用于对能量转换电路的开路电压进行采样，生成与开路电压成一定比例关系的MPPT电压；

ZCD采样电路，用于对能量转换电路中的SW节点电压进行过零检测，输出过零信号；

逻辑控制电路，根据所述MPPT电压和过零信号通过逻辑控制，为能量转换电路中的功率管提供开关控制信号。

进一步地，所述能量转换电路包括能量转换器、输入电容C

进一步地，在采样开路电压时，所述能量转换电路保持功率级打开，通过预充电方式使输入电容C

进一步地，所述MPPT电路包括运算放大器AMP、比较器CMP、四个电阻R

进一步地，所述MPPT电压V

进一步地，所述ZCD采样电路采用数字电路实现，其由一个D触发器构成，D触发器的输入端接SW节点电压V

进一步地，SW节点在电感电流I

进一步地，所述逻辑控制电路包括一个6bits的算术逻辑单元ALU(Arithmeticand Logic Unit)、一个比较器以及两个D触发器D1和D2，其中比较器的正相输入端接输入电压V

进一步地，所述时钟信号CLK3用于控制ALU内部的逻辑运算，由于MPPT电路和ZCD采样电路的工作周期不同，CLK3高电平时ALU处理MPPT电路及D触发器D1的输出结果，CLK3低电平时ALU处理ZCD采样电路及D触发器D1的输出结果，从而实现ALU的复用。

进一步地，所述时钟信号CLK2和CLK3的高电平时长为0.5μs，CLK2和CLK3的周期分别为1μs和8μs，时钟信号CLK1为CLK3延迟100ns之后的结果。

与现有技术相比，本发明能量采集系统可以有效的提高MPPT电路采集开路电压的时间，使用数字采集ZCD的方式可以避免比较器的使用，减小功耗，同时将MPPT和ZCD结果进行逻辑单元的复用，有效的减小了模块的面积。

附图说明

图1为本发明能量采集系统的结构框图。

图2为MPPT模块的结构示意图。

图3为改进后的能量转换电路拓扑示意图。

图4为MPPT工作时采样信号的时序示意图。

图5为ZCD模块的结构示意图。

图6为MPPT和ZCD复用的逻辑控制模块结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明能够减小开路电压采样时间的能量采集系统包括能量转换电路、MPPT模块、ZCD模块以及复用的逻辑控制模块，其中：MPPT模块在采样开路电压时，保持功率级电路打开，通过预充电方式使输入电容达到开路电压附近，之后关闭功率级，维持一段时间的开路电压充电后采样；ZCD模块运用数字电路，以数字状态“0”和“1”表征当前电流过零信息；MPPT和ZCD根据当前状态输出数字“0”或“1”，由于两者工作周期不同，因此可以复用逻辑控制模块。MPPT模块从能量转换电路中获取V

如图2所示，MPPT模块包括一个放大器AMP、一个比较器CMP、四个电阻R

放大器AMP的正输入端为V

传统的MPPT开路电压法测量开路电压时需要关闭功率级等待能量转换器对C

为了实现减小开路电压采样时间，除了上述MPPT模块以外，在系统的能量转换电路拓扑上还需要做一些改进，如图3所示，电路中包括一个能量转换器、输入电容C

如图4所示，在工作状态下I

如图5所示，ZCD模块采用数字电路的形式，包括一个D触发器，其D端接V

ZCD模块的输出以及MPPT模块输出与V

在系统工作状态时，MPPT模块所采样到的最大功率点电压V

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。