- 文献综述(或调研报告):
《微弱环境能量采集中冷启动电路设计》文献综述
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- 前言
一般来说,物联网节点和可穿戴式设备依赖于电池供电,随着时间推移和使用次数增加,电池寿命降低。此外,不断给电池充电也比较麻烦。因此,环境能量采集技术提供了电力来源,可以供低功率电路运行多年,从而消除了电池的需要。
环境能量采集的来源多种多样,比如RF射频,太阳能,压电,摩擦和热电发生器。环境能量虽然无处不在,但是可以提供的能源较弱,电压水平远低于可以让设备运行的最低限度。因此,需要设计启动电路将低电压升高来驱动后续的电路。
目前,学术界对支持微弱环境能量采集电路中的冷启动部分进行了大量的研究和实践。本文对国内外部分学者的有关文献进行了调研。
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- 国内外相关研究
目前,国内外学者对微弱环境能量采集中冷启动部分及相关问题的研究成果较多。一个相对成熟的能量采集系统需要集成能量源、自启动电路、MPPT、ZCS、输出检测等等部分,以保持电路高效运行最终驱动负载电路。当然,在本文中主要讨论自启动部分。
早年间就有各式各样的冷启动方案被提出,五花八门的低电压启动方法让人目不暇接,感叹科学家想象力的丰富和脚踏实地的实现力。最初,当仅有的能量源大小不足以启动电路从而让后续工作持续运行时,代替能源成了一个显而易见的解决方案。在[1]中,当时是遥远的2006年,文中提到的启动电路由一个4阶16倍的指数电荷泵电路和时钟发生器组成,这可以说是现在的自启动电路的雏形。但是当时,以太阳能为例的能量源并不足以驱动该启动电路,因此,作者使用了一个外接电池来提供1V 的启动电压。一旦电路被启动并且可以持续工作,外接电池就不再需要供应。由于电池只需要提供一瞬间的启动电压,电池的损耗比较低。但是,采用电池还是违背了使用能量采集技术的初衷。
相比而言,[2]中的电路设计就比[1]改进了许多,但那也是五年之后的事情了。从[2]可以看出,当能量源只能生成约50mV的电压不足以启动电路中的CMOS开关时,作者提出了由于这是运用于可穿戴设备,通过人体运动引起的轻微振动导致机械能开关打开从而使电感上的电流流动,将CMOS开关打开。这确实是一个巧妙的方法,通过特殊情况提供的外部电压解决了[1]中的问题,但是机械能开关也让该启动电路有了一定的局限性。因此,我们也需要更加能用于普遍情况的电路设计。
[3]和[4]都使用了外接电感的方法来提高电压。[4]中用LC振荡电路将直流信号先转为交流信号再通过一个电压倍增器转为直流信号从而让得到的电压足够大来启动电路。但是由于电感无法缩小体积导致不能集合进芯片中,片外电感无疑增加了整个系统的体积,这样的设计还是存在很大的提升空间的。此后,继代替能源之后,片外电感也成了微弱环境能量采集冷启动电路设计中需要避免的因素。
一个集成自启动电路、MPPT、ZCS的亚10毫伏能量转换器[5]于近年被提出,以TEG为能量源,通过自启动电路将100mV以下的电源电压提高到600mV以上,这样就有足够大的电压驱动主转换器。其中,自启动电路分成第一环形振荡器和充电泵,第二环形振荡器和充电泵,时钟升压器和分频器。第一环形振荡器采用文中所述的新型冗余反相器环形振荡器以获得都比较强的“0”和“1”信号。第一电荷泵采用三级Pelliconi电荷泵,第二电荷泵采用指数电荷泵。第一环形振荡器产生时钟信号,驱动第一电荷泵,激活第二环形振荡器和差分时钟升压器。由此产生的有更高电压的时钟信号进一步驱动第二电荷泵,并继续以更快的速率升高电压,激活时钟助推器来触发主转换器。这个自启动电路相对复杂,但是可以实现较低的输入获得相对较高的输出。
有些文章中提及的冷启动电路模块相对简单。如[6]中所述电路系统中,只用奇数个反相器组成的环形振荡器构成了自启动电路,来驱动后续的DC-DC升压变换器。21级反相器,可以实现最低50mV的启动电压。虽然数量比较大,但是体积比片外电感小了很多。
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