高阻性能量传感器驱动的开关电容器DC-DC降压转换器的设计.docx
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1、高阻性能量传感器驱动的开关电容器DC-DC降压转换器的设计抽象静电振动能量传感器具有相时较高的输出阳抗断续器)和开路电压(V在),因此传感涔/RFIC需要电压下变。开关电容器转换器是创立小尺寸技术的段佳候选者,并且是一种低本钱解决方案,因为它们能够完全生成到传感涔/RF IC中。 要设计具有最小电路面枳的开关电容器际压转换罂(SC-VDC),需要两个步骤。第一步需要对由高R招动的DC-DCSC-VDC 进行优化设计断续器具有最小的电路面枳,第二步需要基于第一步的AC-DC SC-VDC的优化设H ,以最小化转换器电路面枳.本文讨论了针对第一步的电路分析和设计优化.开关须率、级数和每级电容确定为
2、R的函数断续器,V在并将输 出电压(Vo)和电流(Io)输送到负孰 以到达最小的电路面积。还研究了 Io与功率转换效率之间的关系.通过SPICE仿真, 采用250 nm BCD技术验证了性能。提出了由高R驱动的DC-DC SC-VDC的最正确设计流程断续器在以下条件下具有最小电路面积:R断续器,V在,V。和Io被给予。第二个设计步骤仍然是未来的工作.关健字:开关电容转换器;降压转换器;能量传感器;最正确设计;静电振动能量收集;完全集成;物联网.引言能量收集(EH)是使用能量传修潜(ET)从环境能量中收集物联网边号设备功率的技术。静电能量传感器(ES-ET) 可以将振动能量转换为电子能2,司。由
3、于高输出阻抗(R断续器),开路电压(V在)必须超过10V才能产生10 pW 或更大的功率。在4, 5中提出了带仃高压全桥整流独的开关稳压器。高压整流器由四个二极管组成,用于将ES-ET的交流功 率转换为转换器中的直流电源。由于直流电压远高于传密器CMOS IC中可接受的最大电压,因此DC-DC转换器中的电源管理 电路需要使用BCD工艺制造,即使在10 V或更高的高电压下也能提供HV CMOS。降压转换器需要外部元件,如电感器、电 容器和电吼器(LCR),将10 V的直流输入电压传换为1 V的输出电压。在6中,单片集成高频GaNDCQC降压转换器被提 出以1 W/mm的功率密度揄出15 V2.另
4、一种类型的开关转换器是升压转换器,在刀中,带有压电能员收集器的升压转换器可 以从0.12 V的低输入电压产生1 V.输出功率为4.2mW.用于可穿戴生物医学应用.ES-ET的另一种设计是并联稳压器,它可以消除电感器(8,该电路可以充分降低过应力,即使使用标准的1 V CMOS, 除了去耦电容外,还可以实现完全免成,并提供低本钱解决方案。并联稳压器的一个缺点是功率效率低。随着峰值开路电压的 增加,功率转换效率降低。第三种选择是开关电容转换罂,它也可以完全集成,并且具有中等功率效率9。在10中,讨论了直 流能量传感器的开关电容器电压上调转换器的设计,其中假设工作时钟频率是恒定的,而不管电容器的数量
5、和每个电容器的电 容如何.据作者所知,目前还没有为高电阻能量传感器设计开关电容器降压转换器的公式。为了优化设计用于ES-ET的开关电 容降压转换器(SC-VDC),第一步需要对由高R驱动的DC-DCSC-VDC进行优化设计。断续器,第二步要求在第一步 的基础上对AC-DC SC-VDC进行优化设计。本文讨论了针对第一步的电路分析和设计优化。开关频率、级数和每级电容确定为R的函数断续器,V在并将输出电压(Vo)和电流(Io)输送到负载,以到达最小的电路面积“还研究r I。与功率转换效率之间的关系,通过SPICE仿式. 采用250 nm BCD技术验证了性能。第二个设计步骤仍然是未来的工作。本文组
6、织如卜.:第2局部开发了没有R的电路模里。断续器作为理想和高R断续器条件.讨论了 I。对设计参数的敏感性。确定最正确时钟周期时间和最正确电容数量,以最大化V。处的Io.优化设计流程在第3节中提出。结果也显示出来。1 .电路模型没有R的理想情况断续器图1所示为能量传感器(ET)和开关电容降压特换涔(SC-VDC)的框图。电气特性可以用开路电压V表示在和输出电阻R断续器.在本文中,V在慑设为直流,提出由高电阻ET驶动的SC-VDC的设计优化,该ET招能够在未来的工作 中应用静电振动能量传感器的AC-DC SC-VDC. SC-VDC由多个电容器和开关组成,用丁在每个输入时钟CLK的每个周期 中以两
7、种状态改变输入和输出端子之间的电容器配置,图2显示了 DC-DC SC-VDC的两种配置,其中CLK=H和L分别在(a)和(b)中,即在串行状态和并联状态下。SC-VDC 具有N个电容甥,每个电容器具有相同的电容C,输入电流I在处于串行状态的流。输出电流lOP和我操作系统分 别在串行和并行状态动。图2c显示了 V的波形P在ET和SC-VDC之间的接口处。串行状态需要比并行状态更长的周期 (Ts) P)因为电容器是通过一个大电阻R充电的断续器以T为单位,而它们通过T中开关的小导通电阻放电P.因 此,时钟频率受T的限制S. i tS增加后,电容器中存储的电荷量增加,循环时间也增加。过长TS可降低平
8、均输出电潦 (|0 因为长T的电荷饱和量S.另一方面,当Ts降低太多时,转移到电容器中的电荷也随之减少。tS那太短也可以减少 我O.因此,应该有一个最正确tS在两个极端条件之间最大化lo,首先,我们将看看R情况下的电路行为。断续器足够小,然后,我们将谢查R的情况断续器明显较大。11, 12讨论了 SC电压上调转换器的理想电路模型,并在电路在给定输出电压输出目标电流的情况下,讨论了在电路输 出目标电流的情况下,电容器的母佳数量以最小化电路面积。在本节中,我们将从一组类似的方程开始,以表示电路性能。电 源和开关的所有寄生电阻都假定足够小。因此,时钟周期丁被认为足够长,可以将电荷传输到电容器或输出端
9、。在这样的条件 下,输出电荷处于串行状态9族作*系统)和T上的平均电流(我操作系统分别由(1)和(2)给出, 如下所示:(1)类似地,并联状态下的输出电荷(。0尸)制7上的平均电流(我 OP 分别由(3和(4)给出。总平均输 出电流(找O因此,(5)给出了 ),平均输入电流(我在)等于我0P因此,输入功率和输出功率分别用(7)和(8)表示.P。定义的功率转换效率 (公沪在十算为(9)。(6)(8)N需要满足(10)才能具有有限我O基于5)从高功率转换效率的角度来看,建议使用较大的N.满足N方程 的最大N超V 在I/O- 1个。鼓高。另一方面,从高/。的角度来看,建议使用较小的M因为&O 是N的
10、单调函数, 如(11)所示.(9)11.2. R的实际案例断续器与之前的型号一样,开关电阻在慢速开关限值下足够低,假设并联状态不需要很长的时间通过低导通电阻开关传输所有电 荷。另方面,假定在序列状态期间转移的费用受到Ts的限制.顶部电容器顶板上的电压(VP)在底部电容器的底板连接到 输出端的情况下,由微分方程(12)确定。(10)在初始条件下,如(13)所示,(12)被求解为(14),其中时间常始r由(15)给出.(11)(12)一个7周期内串行状态期间的平均输出电流7丹+ TS(我操作系统)、这相当于平均输入电流,可以使用(16) 进行估计.(13)由于从串联状态的能量传感器传输的总电荷似乎
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- 关 键 词:
- 性能 传感器 驱动 开关 电容器 DC 降压 转换器 设计
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