压电能量收集器的电源管理ASIC设计

发布时间：2017-08-13 06:03

  本文关键词：压电能量收集器的电源管理ASIC设计

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【摘要】：压电能量收集的电源管理ASIC(Applied Specific Integrated Circuits)是提高微能源收集效率、能量的可持续利用的重要器件。为了尽可能高效地提高压电能量收集器的输出功率,设计具有阻抗匹配特性的超低功耗能量输出接口电路尤其重要。本论文针对压电振动能量收集器的输出特性,重点研究压电振动能量收集器与电源管理电路之间的阻抗匹配以及超低功耗的电压调理技术,设计超低功耗压电能量收集的电源管理ASIC,为实现自供电的无线传感网络节点提供完整解决方案。论文首先分析了压电振动能量收集器的电源管理ASIC电路的重要性和可行性,详细阐述了现有压电振动能量收集器电源管理技术ASIC电路的研究现状及优缺点;其次,论文针对实验室研制的PZT(Lead Zirconate Titanate)五悬臂梁阵列压电能量收集器,分析了其输出特性,建立了等效的电学模型;并在此基础上,综合输出功率、共振频率、输出电压及最优负载等方面因素,提出了适用于该压电能量收集器的同步电荷提取电路(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)及其供电机制,建立了适用于该压电能量收集器的能量管理机制,然后设计了超低功耗的电压调理电路,其输出电压可为后续无线传感网络节点进行供电。论文采用Cadence Spectre软件基于无锡华润上华公司(CSMC)0.18um CMOS工艺对本文所设计的压电能量收集电源管理ASIC电路进行了性能仿真,确定了用于能量收集的同步电荷提取电路能量收集效能,即在10s内对49uF储能电容可从0V充电至5.2V,能量转换效率为54.75%,5-10s内所收集的能量为传统全波整流电路对应时间所收集到能量的3.15倍。此外,本文所设计的电源管理电路静态电流仅为3.25uA,电路能够驱动50mA的大负载电流,在负载电流为3.17mA时,电路工作效率为95.2%。仿真结果验证了本文所设计的电源管理ASIC电路具有较高的能量收集效率和较好的负载供电输出能力。论文针对压电能量收集器输出特性,研究了超低功耗能量收集器输出接口电路的设计方法,设计了电源管理专用集成电路,完成了整体电路的仿真。仿真结果表明,本论文所设计的压电能量收集电源管理ASIC电路实现了高效率、低功耗的要求。该电路可应用于特殊环境下为无线传感网络节点供电,为微型化单片集成的自供能系统的研制奠定了基础。
【关键词】：压电能量收集 电源管理 同步电荷提取 超低功耗
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619;TN402
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 课题研究背景与意义8-10
• 1.2 压电振动能量收集器的电源管理电路研究现状10-13
• 1.3 论文研究目标以及研究内容13-16
• 1.3.1 论文研究目标13
• 1.3.2 论文研究内容13-16
• 2 压电振动能量收集器的阻抗匹配电路设计16-38
• 2.1 引言16
• 2.2 压电振动能量收集器的电学模型16-17
• 2.3 压电振动能量收集器的输出接口电路17-21
• 2.4 基于同步电荷提取机制的阻抗匹配电路设计21-36
• 2.4.1 基于同步电荷提取的阻抗匹配电路工作原理21-25
• 2.4.2 基准电路设计及仿真25-30
• 2.4.3 欠压锁定电路设计及仿真30-31
• 2.4.4 电压跟随器电路设计及仿真31-33
• 2.4.5 振荡电路设计及仿真33-34
• 2.4.6 阻抗匹配电路整体仿真34-36
• 2.5 本章小结36-38
• 3 压电振动能量收集器的超低功耗电压调理电路设计38-56
• 3.1 引言38
• 3.2 自供能电压调理电路工作机制38-40
• 3.3 电压调理电路设计及仿真40-54
• 3.3.1 误差放大电路设计及仿真40-49
• 3.3.2 电压调理电路整体仿真49-54
• 3.4 本章小结54-56
• 4 压电能量收集器的电源管理ASIC全局仿真与版图设计56-70
• 4.1 引言56
• 4.2 压电能量收集器的电源管理ASIC全局仿真56-60
• 4.3 版图中特殊器件的设计及整体布局60-68
• 4.3.1 版图中特殊器件的设计60-67
• 4.3.2 芯片的整体布局67-68
• 4.4 本章小结68-70
• 5 总结70-74
• 5.1 结论70-71
• 5.2 工作展望71-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-80
• 附录80
• A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录80
• B 作者在攻读硕士学位期间发表的专利80

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本文编号：665737