用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路

技术领域

本发明涉及压电振动能量收集的电源管理技术领域，具体涉及一种用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路。

背景技术

随着电网数字化建设的推进，电力传感器的应用规模将急剧增长，传统的电池供电方式，会对电力传感器运维造成极大的压力，且对于高压环境下的传感器，还存在运行维护不变的问题，为此，通过环境能量收集，实现电力传感器自供电，已成为一个热点研究方向。

在环境能量收集技术中，基于压电材料的振动能量收集是一个主要方向，对于压电能而言，由于压电能量源的输出存在最大功率点，因此，如何使能量源持续输出最大功率是近几年压电能量收集的研究热点。然而现有技术在适应能量源动态变化条件下的快速响应能力方面，仍然存在不足，从而损失了部分能量，影响能量利用效率。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路，以解决现有技术中对于压电能量源的收集无法跟踪最大功率点，影响能量利用效率的技术问题。

本发明实施例提供的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路，包括：压电源、整流器、峰值检测电路、DC-DC变换器、MPPT控制电路以及能量存储电路；所述整流器的输入端连接所述压电源的输出端，所述整流器的第一输出端连接所述峰值检测电路的输入端，所述整流器的第二输出端连接所述DC-DC变换器的第一输入端，所述峰值检测电路的输出端连接所述MPPT控制电路的第一输入端，所述MPPT控制电路的输出端连接所述DC-DC变换器的第二输入端，所述DC-DC变换器的输出端连接所述能量存储电路；所述峰值检测电路用于在所述整流器和所述DC-DC变换器的连接断开时，检测压电源的开路电压；所述整流器和所述DC-DC变换器的连接后，所述整流器用于将所述压电源输出的交流电转换为直流电，所述MPPT控制电路根据所述直流电和所述压电源的开路电压的大小生成电压控制信号，所述DC-DC变换器根据所述电压控制信号调节所述DC-DC变换器等效阻抗并生成对应输出电压，调节后所述DC-DC变换器等效阻抗和所述压电源内阻相等，所述能量存储电路接收所述DC-DC变换器输出电压进行存储收集。

可选地，所述MPPT控制电路包括：控制器和追踪电路；所述控制器根据所述直流电和所述压电源的开路电压的大小以及预设周期判断当前状态为偏离最大功率点或在最大功率点附近；当偏离最大功率点时，控制所述追踪电路以二进制变步长的方式生成电压控制信号，当在最大功率点附近时，控制所述追踪电路以定步长的方式生成电压控制信号。

可选地，所述追踪电路包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一电流源以及第二电流源；所述第一开关的一端连接所述第二开关的一端以及所述第一电容的一端，所述第二开关的另一端连接所述第三开关的一端、所述第四开关的一端、所述第五开关的一端、所述第二电容的一端以及所述DC-DC变换器的第二输入端，所述第一开关的另一端连接所述峰值检测电路的输出端以及所述第一电流源的一端，所述第一电流源的另一端连接所述第三开关的另一端，所述第四开关的另一端连接所述第二电流源的一端，所述第五开关的另一端连接所述第三电容的一端，所述第六开关连接在所述第三电容的两端，所述第一电容的另一端连接所述第二电流源的另一端、所述第三电容的另一端以及所述第二电容的另一端并接地。

可选地，所述追踪电路以二进制变步长的方式生成电压控制信号时，所述第一开关、所述第二开关、所述第五开关、所述第六开关、所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容工作。

可选地，所述追踪电路以定步长的方式生成电压控制信号时，所述第三开关、所述第四开关、所述第二电容、所述第一电流源以及所述第二电流源工作。

可选地，所述整流器包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一二极管、第二二极管、第一比较器以及第二比较器；所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的栅极、所述第一NMOS管的漏极、所述第一二极管的负极、第一比较器的负输入端以及所述压电源的输出端的一端相连接，所述第二PMOS管的漏极与所述第一PMOS管的栅极、所述第二NMOS管的漏极、所述第二二极管的负极、所述第二比较器的负输入端以及所述压电源的输出端的另一端相连接，所述第一PMOS管的源极与所述第二PMOS管的源极、所述峰值检测电路的输入端以及所述DC-DC变换器的第一输入端相连接，所述第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极、所述第一二极管的正极、所述第二二极管的正极、所述第一比较器的正输入端以及所述第二比较器的正输入端均连接到地。

可选地，所述峰值检测电路包括：第四电容、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管以及单脉冲产生电路；所述第四电容的一端连接所述整流器的第一输出端，所述第四电容的另一端与所述第三NMOS管的漏极、所述第四NMOS管的漏极和栅极以及所述第五NMOS管的栅极连接，所述第五NMOS管的漏极与所述第三PMOS管的漏极和栅极、所述第四PMOS管的栅极以及所述第五PMOS管的栅极连接，所述第三PMOS管的漏极与所述第六NMOS管的漏极连接，所述第六NMOS管的栅极与所述第五PMOS管的漏极、所述第七NMOS管的栅极和漏极、所述第八NMOS管的栅极、所述第九NMOS管的栅极以及所述第六PMOS管的栅极相连接，所述第六PMOS管的漏极与第九NMOS管的漏极以及单脉冲产生电路的输入端相连接，单脉冲产生电路的输出端与所述MPPT控制电路的输入端以及所述第三NMOS管的栅极相连接，所述第八NMOS管的漏极接收偏置电流，所述第三PMOS管的源极与所述第四PMOS管的源极、所述第五PMOS管的源极以及所述第六PMOS管的源极相连接，所述第三NMOS管的源极与所述第四NMOS管的源极、所述第五NMOS管的源极、所述第六NMOS管的源极、所述第七NMOS管的源极、所述第八NMOS管的源极以及所述第九NMOS管的源极均连接到地。

可选地，所述DC-DC变换器包括：第七PMOS管、第八PMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管、电感、迟滞比较器、环形振荡器、PFM控制器、驱动级、第五电容、第一电阻、第二电阻以及第三电阻；所述第七PMOS管的源极连接所述整流器的第二输出端，所述第七PMOS管的漏极与所述电感的一端以及所述第十NMOS管的漏极连接，所述电感的另一端与所述第八PMOS管的漏极以及所述第十一NMOS管的漏极连接，所述第八PMOS管的源极与所述第五电容的一端、所述第一电阻的一端以及所述第二电阻的一端连接，所述第五电容的另一端与所述第一电阻的另一端、所述第三电阻的一端连接并接地，所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的另一端以及所述迟滞比较器的负输入端连接，所述迟滞比较器的输出端与所述环形振荡器的第一输入端连接，所述环形振荡器的第二输入端连接所述MPPT控制电路的输出端，所述环形振荡器的输出端与所述PFM控制器的输入端相连接，所述PFM控制器的输出端与驱动级的输入端相连接，所述驱动级的输出端与所述第七PMOS管、所述第八PMOS管、所述第十NMOS管以及所述第十一NMOS管的栅极相连接。

可选地，该用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路还包括：第六电容、第七电容以及第七开关；所述第七开关连接在所述整流器的第二输出端和所述DC-DC变换器的第一输入端之间，所述第六电容的一端与第七开关的一端以及整流器的第二输出端相连接，所述第七电容的一端与所述DC-DC变换器的第一输入端相连接，所述第六电容的另一端和所述第七电容的另一端接地。

可选地，所述DC-DC变换器还用于接收所述整流器输出的直流电，将所述直流电和基准电压信号比较，当所述直流电大于所述基准电压信号时，所述DC-DC变换器停止输出电压。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路，通过设置整流器将压电源输出的交流能量转换为直流能量；设置峰值检测电路能够检测峰值点电压即压电源开路电压，从而使得MPPT控制电路能够找到需要追踪的点，即最大功率点，MPPT控制电路根据该最大功率点调节DC-DC变换器的工作频率，使得DC-DC变换器的等效阻抗和压电源等效阻抗相等。由此，通过该电路实现了DC-DC变换器等效阻抗和压电源内阻的动态匹配，实现了最大功率追踪，保证能高效的获取压电能。

本发明实施例提供的压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路，可以采用标准0.18μm CMOS工艺设计，不需要特殊的工艺及设备，因此成本降低，整流器将压电源的AC能量转换为DC能量，整流器可以自启动，同时不影响能量传输阶段的系统效率。峰值电压检测电路能够检测压电源的开路电压，MPPT控制逻辑可以控制调节DC-DC变换器的工作频率，使DC-DC变换器的等效输入阻抗与压电源内阻相等，采用变步长加定步长的追踪方式可以快速精确的追踪到最大功率点。最大功率点的追踪精度能够保持在90％以上，最大能量转换效率为80％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路的结构框图；

图2为本发明实施例中整流器的结构示意图；

图3为本发明实施例中峰值检测电路的结构示意图；

图4为本发明实施例中控制器的控制时序图；

图5为本发明实施例中MPPT控制电路的结构示意图；

图6为本发明实施例中MPPT控制电路的控制流程示意图；

图7为本发明实施例中DC-DC变换器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路，包括：压电源6、整流器1、峰值检测电路2、DC-DC变换器3、MPPT控制电路4以及能量存储电路5；所述整流器1的输入端连接所述压电源6的输出端，所述整流器1的第一输出端连接所述峰值检测电路2的输入端，所述整流器1的第二输出端连接所述DC-DC变换器3的第一输入端，所述峰值检测电路2的输出端连接所述MPPT控制电路4的第一输入端，所述MPPT控制电路4的输出端连接所述DC-DC变换器3的第二输入端，所述DC-DC变换器3的输出端连接所述能量存储电路5；所述峰值检测电路2用于在所述整流器1和所述DC-DC变换器3的连接断开时，检测压电源6的开路电压；所述整流器1和所述DC-DC变换器3的连接后，所述整流器1用于将所述压电源6输出的交流电转换为直流电，所述MPPT控制电路4根据所述直流电和所述压电源6的开路电压的大小生成电压控制信号，所述DC-DC变换器3根据所述电压控制信号调节所述DC-DC变换器3等效阻抗并生成对应输出电压，调节后所述DC-DC变换器3等效阻抗和所述压电源6内阻相等，所述能量存储电路5接收所述DC-DC变换器3输出电压进行存储收集。其中，所述能量存储电路5为电池或容量大于阈值的电池。

本发明实施例提供的用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路，通过设置整流器将压电源输出的交流能量转换为直流能量；设置峰值检测电路能够检测峰值点电压，从而使得MPPT控制电路能够找到需要追踪的点，即最大功率点，MPPT控制电路根据该最大功率点调节DC-DC变换器的工作频率，使得DC-DC变换器的等效阻抗和压电源等效阻抗相等。由此，通过该电路实现了DC-DC变换器等效阻抗和压电源内阻的动态匹配，实现了最大功率追踪，保证能高效的获取压电能。

在一实施方式中，如图2所示，所述整流器包括：第一PMOS管M

在一实施方式中，如图1和图2所示，该压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路还包括：第六电容C

具体地，由于整流器中两个比较器的工作电压由整流器输出电压V

在一实施方式中，如图3所示，所述峰值检测电路包括：第四电容C

具体地，峰值检测电路检测开路电压时，是利用电容的电流和电压的微分关系进行检测，当第四电容两端的电压到达峰值时，电压的变化率为0，此时流过第四电容的电流为0，流经第四电容的电流经过第四NMOS管镜像到第五NMOS管，再通过第三PMOS管镜像到第四PMOS管，一个固定的电流I

在峰值检测电路中，当第四电容两端的电压到达峰值，说明检测到了压电源的开路电压，此时峰值检测电路中电压的变化率最小，而第六PMOS管和第九NMOS管构成了一个反相放大电路，当流经第四电容的电流小于电流I

如图1所示，该压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路还包括：第七开关S

在一实施方式中，所述MPPT控制电路包括：控制器和追踪电路；所述控制器根据所述直流电和所述压电源的开路电压的大小以及预设周期判断当前状态为偏离最大功率点或在最大功率点附近；当偏离最大功率点时，控制所述追踪电路以二进制变步长的方式生成电压控制信号，当在最大功率点附近时，控制所述追踪电路以定步长的方式生成电压控制信号。

具体地，在进行最大功率追踪时，需要衡量最大追踪算法电路工作点与最大功率点的偏差，实现最大功率点的动态追踪。由此，由MPPT控制电路将DC-DC变换器的输入电压V

在生成电压控制信号对DC-DC变换器进行调节时，可以每接收一次脉冲信号，进行一次调节；即每接收一次秒冲信号，进行一次电压比较。如图4所示，为控制器的控制时序图，其中，IS表示时钟信号；CMP_P高电平表示V

在一实施方式中，如图5所示，所述追踪电路包括：第一开关S

其中，当所述追踪电路以二进制变步长的方式生成电压控制信号时，所述第一开关、所述第二开关、所述第五开关、所述第六开关、所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容工作。当所述追踪电路以定步长的方式生成电压控制信号时，所述第三开关、所述第四开关、所述第二电容、所述第一电流源以及所述第二电流源工作。

具体地，二进制变步长的控制方式如下：起始时电压控制信号V

定步长追踪由两个偏置电流源IBIAS1和IBIAS2控制，切换为定步长追踪后，当要增大V

如图3、图4和图6所示，对于电压控制信号的控制以如下流程实现：首先需要说明的是，EN＝1表明电路要重新采集V

当采集到开路电压后，比较V

在一实施方式中，如图7所示，所述DC-DC变换器包括：第七PMOS管M

具体地，迟滞比较器的正输入端接收外部输入的基准电压信号V

另外，环形振荡器的第二输入端连接MPPT控制电路的输出端，接收MPPT控制电路输出的电压控制信号V

在一实施方式中，压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路采用如下流程工作：

1)启动阶段：当最大功率追踪算法电路接入压电源时，整流器开始工作，将AC能量转换为DC能量，此时最大功率追踪算法电路中其他电路不工作，直到整流器的输出电压达到启动电压。

2)开路电压检测阶段：此时后级DC-DC变换器与整流器断开，峰值检测电路开始工作，检测出当前条件下压电源输出的开路电压。

3)最大功率追踪阶段：当峰值检测电路检测到压电源的开路电压后，DC-DC变换器以及MPPT控制电路开始工作，通过改变DC-DC变换器的工作频率来改变等效阻抗，当压电源内阻与DC-DC变换器等效阻抗相等时，压电源输出最大功率。

本发明所述的用于压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路在具体操作时，通过PFM控制模式下的DC-DC变换器完成等效阻抗和内阻的动态匹配，以实现最大功率追踪。同时为了能够快速追踪到新的最大功率点，并且在最大功率点附近稳定，保证系统能高效的获取压电能。对于DC-DC变换器频率的控制使用变步长加定步长扰动的最大功率追踪算法，在远离最大功率点或者有新的最大功率点出现时，首先采用较大的调节步长，快速逼近到最大功率点附近，在到达最大功率点附近后，切换为小步长，以期获得较高的追踪精度。假设DC-DC变换器的工作频率f

本发明实施例提供的压电微能量收集电源管理的最大功率追踪算法电路，可以采用标准0.18μm CMOS工艺设计，不需要特殊的工艺及设备，因此成本降低，整流器将压电源的AC能量转换为DC能量，整流器可以自启动，同时不影响能量传输阶段的系统效率。峰值电压检测电路能够检测压电源的开路电压，MPPT控制逻辑可以控制调节DC-DC变换器的工作频率，使DC-DC变换器的等效输入阻抗与压电源内阻相等，采用变步长加定步长的追踪方式可以快速精确的追踪到最大功率点。最大功率点的追踪精度能够保持在90％以上，最大能量转换效率为80％。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。