应用于能量收集的自启动DC-DC升压转换器

基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺,设计了一种应用于能量收集的自启动DC-DC升压转换器。系统包括两级升压结构,第一级自启动模块实现亚阈值电压输入,将电压升至可供第二级主升压结构使用的电压。两级升压结构中,均采用了基于栅交叉耦合的电荷泵,对其中的电荷传输开关进行改进,克服了传统Dickson电荷泵的体效应问题,提高了电压增益和转换效率。仿真结果表明,DC-DC升压转换器能在300 mV输入下实现自启动,输出电压为1.8 V,纹波电压约为4 mV,效率达到69%。     

能量收集最大功率点跟踪DC-DC升压转换器设计

通过提升功率传输效率和降低电路功耗,设计了一种适用于低功率微弱能量收集的DC-DC升压转换器。升压转换器主要包括核心电路、最大功率点跟踪(MPPT)电路、零电流开关(ZCS)转换电路、振荡器、电荷泵和偏置电路。采用开路电压法检测输入功率,并适时调整开关导通时间,以调整输入阻抗,实现对能量源的MPPT传输;同时,采用特殊供电的ZCS,减小电路的亚阈值泄漏,提升转换效率。基于65 nm CMOS工艺对DC-DC升压转换器进行设计,芯片面积为260μm×380μm。仿真结果表明,在输入功率-7～-30 dBm内、能量源内阻50Ω～10 kΩ的条件下,跟踪效率峰值为99.81%。同时,在最低输入电压为35 mV、DC-DC转换器输出电压为1 V时,电路转换效率峰值为90.46%,整体功耗低于1.2μW。     

一种高效压电能量收集与管理电路

根据压电元件的特性提出一种压电能量收集与管理电路。它包括一个基于电感的并联同步开关收集电路( P-SSHI )、一个控制电路和一个DC-DC电路。该P-SSHI电路只需要两个开关,仿真的结果显示其收集的能量相比传统的AC-DC电路提高5倍以上;DC-DC电路工作在电流断续模式下(DCM),这有利于降低功耗,提高轻载效率,且仿真结果的输出电压为3.3 V,电压精度为0.02%。这种压电能量收集与管理电路能够为微功率设备提供稳压。     

应用于热电能量收集的低压自启动电路

设计了一种两级低电压自启动电路,实现低输入电压条件下热电能量收集系统的自启动。在第一级自启动电路中引入一种新型堆叠式反相器,构成环形振荡器结构,在低供电电压下产生较大的振荡摆幅;第二级自启动电路由高幅值时钟产生电路与电感复用升压电路构成,进一步提高输出电压;由电压检测电路以及辅助电路构成的控制电路实现了第一级自启动向第二级自启动的转换,以及第二级自启动向主升压转换的过程。基于0.18 μm CMOS工艺设计该自启动电路,版图后仿真结果表明,在190 mV的TEG输入电压,以及11.8 μA的负载电流情况下,自启动电路可产生825 mV输出电压,转换效率可达到56.5%,实现能量收集系统的自启动功能,保证后级主升压电路的正常工作。     

应用于能量收集中的接口电路的设计

针对从周围环境中收集能量的微型发电机输出功率和电压非常小,无法直接应用的问题。文中设计了一种超低输入电压、低功耗且高效的接口电路。该接口电路包含两级,第一级是无源级和仅由一个有源二极管组成的第二级。为降低有源二极管的功耗,采用一个工作在亚阈值区的衬底输入比较器用来驱动MOS开关。设计采用TSMC 018 μm 标准CMOS工艺,使用Cadence Spectre在室温的条件下进行仿真。结果表明,在输入电压为500 mV（100 Hz）,负载电阻为50 kΩ时整流器的电压转换率为977%,能量转换率为913%。整流器能够在输入电压振幅为320 mV以上实现高效整流。     

基于压电效应的能量收集

介绍了利用压电陶瓷元素进行能量收集,并对其进行了理论分析.为能对负载进行供电,使用DC-DC变换器对电压进行变换,同时增加了输出功率.最后实验结果对前面的模型理论分析进行了验证.     

压电能量收集接口电路的设计与仿真

为了给无线传感器网络节点提供稳定、高效且长期的能量供给,该文提出了一种基于增强型同步电荷提取电路的压电能量收集接口电路(ESECE)。利用Multisim电路仿真软件对增强型同步电荷提取电路进行仿真,并与标准压电能量收集接口电路(SHE)和同步电荷提取电路(SECE)进行对比分析。实验结果表明,在相同激励条件下,ESECE比SECE的输出功率提高了近30%,最大输出功率达到190μW,同时还保证了输出功率与负载电阻的无关性。     

应用于微弱能量收集系统的超低压自启动电路

采用0.18 μm 1.8 V/3.3 V CMOS工艺,设计了一种应用于微弱能量收集系统的超低压自启动电路。采用LC振荡电路产生2个高频高幅度的时钟信号,将4级交叉耦合电荷泵串联在一起作为升压主电路,避免了器件栅极氧化层不稳定以及器件导通、关断不彻底的问题。仿真结果表明,该低压自启动电路能够在约150 μs的时间内将80 mV的直流电压升压到579 mV,转换效率达80%。相比其他低压启动电路,该低压自启动电路能在不借助外部辅助的条件下实现低压自启动,具有更快的启动速度和更高的效率。     

一种新型的应用于DC-DC转换器的斜率补偿设计

在分析峰值电流控制模式DC-DC转换器的稳定性基础上,提出了一种新型的四段式补偿法.该方法是根据输出占空比的大小进行不同程度的斜率补偿.结合所设计的峰值电流控制模式DC-DC转换器对该斜率补偿进行了分析.采用0.5μm CSMC DPDM工艺模型仿真并采用该工艺流片.由仿真和测试结果表明,设计的四段式斜率补偿电路在提高电路性能的同时可以有效地提高了系统的稳定性.     

压电振动能量收集电路的设计与实验研究

压电材料可将机械振动能转换为电能,但其产生的电能较小且具有交流特性,有必要建立储能电路将压电振动产生的电能储存起来并输出稳定的直流电。根据压电构造方程,建立压电振动能量收集系统的耦合场数学模型,对输出电压和最大输出功率进行数值模拟。设计与制作了一种以电容为储能介质的储能电路,通过电压比较器和电压调节器来保证稳定的直流输出。实验结果表明该储能电路能提供稳定的2.24V的直流输出电压,储能效率最高可达66.3%,并分析其能耗及误差产生的原因。     

A variable step-down conversion ratio switched capacitor DC-DC converter for energy harvesting systems working in intermittent mode

Energy harvesting systems stimulate the development of power management for low power consumption applications. Improving the converter efficiency of power management circuits has become a significant issue in energy harvesting system design. This paper presents a variable step-down conversion ratio switched capacitor (SC)DC-DC converter to advance the converter efficiency of charge on the stored capacitor in a wireless monitoring system of orthopedic implants. The converter is designed to work at 1 MHz switching frequency and achieves 15 to 2 V conversion. Measurement results show that the converter efficiency can reach 4:2% including all circuit power consumption, which is much higher than previous work.     

MAC Protocols for Energy Harvesting Wireless Sensor Networks: Survey

Energy harvesting (EH) technology in the field of wireless sensor networks (WSNs) is gaining increasing popularity through removing the burden of having to replace/recharge depleted energy sources by energy harvester devices. EH provides an alternative source of energy from the surrounding environment; therefore, by exploiting the EH process, WSNs can achieve a perpetual lifetime. In view of this, emphasis is being placed on the design of new medium access control (MAC) protocols that aim to maximize the lifetime of WSNs by using the maximum possible amount of harvested energy instead of saving any residual energy, given that the rate of energy harvested is greater than that which is consumed. Various MAC protocols with the objective of exploiting ambient energy have been proposed for energy‐harvesting WSNs (EH‐WSNs). In this paper, first, the fundamental properties of EH‐WSN architecture are outlined. Then, several MAC protocols proposed for EH‐WSNs are presented, describing their operating principles and underlying features. To give an insight into future research directions, open research issues (key ideas) with respect to design trade‐offs are discussed at the end of this paper.     

基于压电材料的振动能量回收技术现状综述

随着微机电系统(MEMS)技术的迅猛发展,基于压电振动的能量回收技术可以为MEMS提供电能,受到国内外众多学者的关注。该文介绍了压电式振动能量回收装置的工作机理;分别从能量回收装置的结构和材料、能量转化的接口电路、能量的存储技术、能量回收的应用实例等方面系统的介绍国内外的主要研究成果和研究进展;并对压电振动能量回收技术的发展方向进行了预测。     

二象限DC-DC变换器光伏发电系统设计

对光伏发电问题进行了研究,提出了二象限DC-DC变换器的设计,变换器主电路采用半桥式双向直流变换的结构拓扑,实现了能量的双向流动和升降压功能;控制电路采用TMS320LF2407DSP为中心控制芯片,由专门的电压、电流采样调理电路以及驱动电路完成脉冲宽度调制（PWM,Pulse WidthModulation）信号的产生和输出,并对PWM信号的产生、输出进行电力电子仿真（PSIM,Power Simulation）,结果表明,该变换器能够实现蓄电池的充放电和升降压电路功能,提高光伏组件的利用率。     

无线传感器网络能量收集技术分析

对无线传感器网络节点的能量供应及其管理技术的现状进行了讨论。分析研究了无线传感器网络节点的能量收集原理、技术与方法,认为无线传感器网络节点能量管理应从节能与供能两方面去解决。对环境中存在的各种能源的收集原理与方法进行了分析,这些能源包括太阳能、风能、声能、振动、热电以及电磁场能等。最后提出了传感器节点应该采用尽可能多的方法从环境中吸取能量,以确保传感器节点能够长期、稳定、可靠地工作。     

无线传感器网络能量收集技术分析

对无线传感器网络节点的能量供应及其管理技术的现状进行了讨论。分析研究了无线传感器网络节点的能量收集原理、技术与方法，认为无线传感器网络节点能量管理应从节能与供能两方面去解决。对环境中存在的各种能源的收集原理与方法进行了分析，这些能源包括太阳能、风能、声能、振动、热电以及电磁场能等。最后提出了传感器节点应该采用尽可能多的方法从环境中吸取能量，以确保传感器节点能够长期、稳定、可靠地工作。