适用于能量采集系统的开关电容DC-DC变换器设计与研究

发布时间：2020-05-22 11:24

【摘要】：集成电路的微型化一直是芯片设计者永恒的话题。微型系统由于体积小,功耗低等特点被广泛应用于各种不同场合中。当今世界,功耗是电池驱动的主要关注点,为了延长器件的寿命,提出了一种混合电源管理系统,使用环境中的能量,如太阳能作为能量的来源来提供给负载或者电池存储。虽然环境中能量取之不尽,用之不竭,但通常都是不稳定的,而且瞬时功率有限。因而为了有效利用环境中能量,必须建立有效的电源管理电路。本论文的主要工作是设计一种适用于能量收集的开关电容直流-直流(DC-DC)转换器,且转换器能够在输入信号较低时仍然有较高的功率转换效率(PCE,Power Conversion Efficiency)。本文主要研究工作如下:首先,由于光伏阵列获取的能量通常会呈现出非线性、不稳定性,而传统的最大功率跟踪方法都是基于整数阶系统,无法有效解决非线性问题。因而为了跟踪最大功率点输出最大功率,研究了分数阶极值搜索最大功率点方法,有效地提高了系统的鲁棒性和整体的收敛性,减少了功率损失,提高了光伏阵列的转化效率。其次,环境中能量收集的不确定性、收集到的能量通常输出电压低且不够稳定,无法应用于电子电路。因此,DC-DC变换器变得格外重要。针对理想型电荷泵进行了分析,对设计策略进行了优化,分析了 Dickson电荷泵和栅交叉耦合电荷泵的损耗,提出了带有小电感的改进型Dickson电荷泵和高增益四相时钟栅交叉耦合电荷泵,通过数学分析和仿真验证其可行性。最后,鉴于在低压应用中,传统电荷泵电路的输出特性比较差,最终适用于能量收集的开关电容电路采用了高增益四相时钟交叉耦合电荷泵,通过四相时钟交错控制电路,改进了 MOS管栅极的驱动策略,消除产生的反向电荷,减小了输出电压的波动,使得输出电压、功率转化效率、负载能力都得到进一步提高。整个电路设计采用TSMC 0.18um CMOS工艺,电路不需要额外的相移电路且栅源和漏源之间不超过输入电压。
【图文】：

框图,收集系统,能量,框图

能量收集系统电路包括：能量获取单元、电荷泵电路、控制电路，为特定应逡逑用设计的最优能量收集电路需要权衡整体电路的各项性能指标。能量收集系统框逡逑图如图１．１所示。逡逑「S缅义系缱酉低冲义弦庸庹斟危⒁唬蓿掊义希埽埽苠五五澹辏义希澹氐缛荩洌悖洌惚溴危驽澹蓿颍斟义蟧茫坼位黄鳌危迱奬b逡逑光伏阵列逦￣逡逑能量存储逡逑图１．１能量收集系统框图逡逑在能量收集系统中，能量获取单元中环境中的能量获取技术成为了研宄的热逡逑２逡逑

术在低电源电压下ＭＯＳＦＥＴ工作机理是非常重要的。逡逑２．１．１逦ＭＯＳ管工作原理逡逑如图２．１所示ｎ型沟道ＭＯＳ管。在理想条件下，图中ＭＯＳ管的体端Ｂ和逡逑源端Ｓ接地，即ＦｆＫ＾ＯＶ，给漏端施加一个小的正电压Ｆｄ。逡逑逦？逦Ｌ／逡逑图２．邋ＩＮ型沟道ＭＯＳ管逡逑栅端电压Ｆｇ＝０时，，衬底将源漏两级阻断，ＭＯＳ管相当于两个ＰＮ结，彼此逡逑不联系，即使有正向电压６的作用，源级和漏级之间也只有微小的ＰＮ结反向逡逑６逡逑
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46

【参考文献】