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应用于物联网设备的超低功耗多源微能量收集电源管理芯片设计

日期:2023年11月14日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:115
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202311091134298895 论文字数:45255 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇工程硕士论文,本文根据物联网设备的工作环境特性,将环境中的机械能、光能作为能量源,设计了一个多源微能量收集电源管理系统。

1绪论

1.1课题背景及意义

随着全球经济的高速发展,人类生活的各个方面都对能源提出了更多的需求。但是,一方面,许多传统使用的能源如煤炭、天然气是不可再生的,而随着人类日复一日的开采,其储藏量日益减少,不符合可持续发展。另一方面,对传统能源的不断开发引起了许多无法规避的环境问题,例如我国许多地区近些年连续出现的雾霾、全球气候变暖等。因此,传统能源供能并非长久之策。当务之急是寻求清洁、可再生的新能源进行供能。目前,如何利用环境中的太阳能[1]、机械能[2]、热能[3]等可再生清洁能源已成为研究热点。

随着物联网技术的普及及相关技术的发展,“万物互联”的概念深入人心[4]。实现“万物互联”必定需要依靠数量庞大的传感器节点,进行数据采集、处理、传输。传感器节点传统的供电方式为电池供电。虽然电池供电的技术已非常成熟,但是其缺点也很明显。一方面,电池内存储的能量是固定并且有限的,其不能为传感器提供长期、持续的电能,电能耗尽时需要人类及时地进行更换。但是,当传感器节点安装在不方便更换的环境下,如较深的海底,人为更换电池的难度将大幅提高、更换成本也比较高。另一方面,数量庞大的传感器节点若采用传统电池进行供电,那么大量废弃电池的处理也将给环境带来比较大的负担。因此,采集环境中的存在的清洁、可再生能源,例如太阳能、机械能、热能等能源并将之转换为电能为传感器节点进行供电,成为解决上述问题的一种方式并已逐渐成为研究热点[5]。

1.2国内外研究现状

物联网技术的高速发展给人类的生活带来了诸多便利,例如高效并可靠的物流服务、日渐完善的监控系统等。越来越多的物联网设备投入使用,并对供电方式提出了更高的挑战。借助能量收集技术,收集环境中的微能源并且转换为电能,代替传统电池,为物联网设备供电成为应对该挑战的一种方式。能量收集技术已经变为国内以及国外学者的研究焦点,并做出了一定的成果。

1.2.1国内研究现状

目前,国内对于单一能源的能量收集、多种能源的能量收集均有广泛的研究,并取得诸多研究成果。在国内,多源能量收集多数为采用市场上的器件和芯片设计的板级电路,但是该方案具有成本高、功耗比较高、体积不够微小等不足。同时,在集成电路方面,国内的多源能量收集技术还尚未成熟,存在能量收集种类不多、收集效率不高等问题。

2008年李艳秋等人构建了一种智能混合电源系统,能够为无线传感器网络提供能量,实现无线传感器网络的自供电[8]。该系统能量转换器采用光电换能器和热电换能器,收集环境中光能、热能。能源管理子系统包括稳压电路、升压电路、智能控制芯片、A/D转换器等。能量存储模块采用拥有较高能量密度的锂离子电池、充放电能力较为持久的超级电容。设计数据和实验结果表明,系统可以给无线传感器网络提供多于五年的供电,保障其正常工作。该系统证明收集环境中的能量给无线传感器网络供电、提高其工作时间是可行的。但是,该系统采用的都是分立的转换器、芯片,难以集成、系统成本相对较高、功耗较大。

2微能源能量收集技术研究

2.1机械能收集技术

2.1.1摩擦纳米发电机输出特性

摩擦电过程中引起的电荷在科学研究或技术应用中通常被称为负面影响,在许多情况下它们是浪费能量的[23]。但是,研究表明,这种摩擦电荷可用于将机械能转化为电能,为低功率电子设备供电。摩擦纳米发电机可将环境中的机械能转换为电能,但是不同的应用场景,对应着不同的摩擦方式,摩擦纳米发电机的结构和类型也不尽相同。如图2.1,根据不同的工作模式,可以将摩擦纳米发电机分为以下四种:(a)接触-分离模式、(b)水平滑动模式、(c)单电极模式(d)独立层模式[24]。

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2.2光能收集技术

2.2.1光伏发电机输出特性

光伏发电机利用环境中的光和半导体材料进行发电。发电过程主要分为三个阶段:首先光照射在半导体材料的PN结上,PN结中的电子吸收光子的能量[42];然后电子利用该能量进行跃迁,从而形成得到电子-空穴对;最后空穴、电子在PN结形成的内电场的作用下,进行漂移运动,分别向P区、N区运动,因此在PN结的两端会产生电势差,当接入导线使得PN结两端接通时,就会产生电流流动。如图2.14为光伏发电机等效电路[43][44]。其中,IPV为产生的光生电流源;RS为串联寄生电阻,RP为分流的并联寄生电阻,I为输出的电流,V为输出的电压。参数IPV、RS、RP与光伏发电机处于环境的光照强度、温度等外部特性密切相关,当外部特性发生改变时,这些参数的大小也会发生改变。

目前,已有许多最大功率点跟踪控制策略被提出并被广泛应用。基于控制策略的判断方法,可分为三类:一为基于数学建模的间接控制策略,该策略基于所用光伏发电机处于最大功率点时输出电压与开路电压的关系、输出电流与短路电流的关系提出的,控制策略有如短路电流法、如开路电压法;二为基于数据采集的直接控制策略,该策略基于对光伏发电机的输出电压或电流进行采集、进行数学计算得到的,如电导增量法、如扰动观察法(Perturb and Observe algorithms,P&O)。三为智能控制法,如神经网络控制、如模糊逻辑控制。

3能量收集电源管理系统设计......................27

3.1超低功耗的机械能收集电源管理系统设计..........................27

3.2机械能收集电源管理系统子模块设计..........................30

4多源微能量收集电源管理芯片仿真及测试..........................59

4.1多源微能量收集电源管理芯片仿真验证................................59

4.2多源微能量收集电源管理芯片测试结果....................................64

5总结与展望.............................69

5.1总结.....................................69

5.2展望........................................70

4多源微能量收集电源管理芯片仿真及测试

4.1多源微能量收集电源管理芯片仿真验证

1.系统自启动仿真

如图4.1,IIN,TENG为摩擦纳米发电机的输出电流。摩擦纳米发电机通过整流模块向从存储电容CSTORE充电,电源电压VDD逐渐上升,POR模块检测电源电压VDD的值。当VDD上升至2.4V,POR模块的输出POR_OUT输出高电平,系统中的控制模块开始工作。

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5总结与展望

5.1总结

本文根据物联网设备的工作环境特性,将环境中的机械能、光能作为能量源,设计了一个多源微能量收集电源管理系统。该系统不需要依赖外部电源,只要依靠机械能、光能就可以实现自启动、自供电;系统可以实现对机械能、光能的并行高效收集;当工作环境中的光能或者机械能不再存在时,系统能自适应地切换能量收集模式,可实现单独收集机械能、光能;系统能够周期性地采集光伏发电机的输出特性,及时调整系统的工作状态,进行阻抗匹配,实现在不同的环境下都能对光能的高效收集。具体工作如下:

(1)研究分析环境中机械能和光能两个微能源的特点、摩擦纳米发电机和光伏发电机的工作原理和输出特性,设计对应的接口电路。针对机械能的收集,整流电路采用MOS管代替传统全桥整流器中的二极管,减少功耗;使用一个二极管防止电流倒灌,可靠性强、无需额外的控制电路。针对光能的收集,采用开路电压法进行最大功率点跟踪,控制电路简单、可靠性强、功耗低。

(2)根据摩擦纳米发电机的输出特性,超低功耗的机械能收集系统利用整流损耗较低的整流电路将摩擦纳米发电机输出的高压交流电整流,然后储存到存储电容CSTORE中;容值较大的存储电容CSTORE和迟滞比较器实现超低频的降压转换电路,将机械能的能量传输至负载;控制模块采用超低功耗设计。根据光伏发电机的输出特性,通过采用低频的升压转换电路和超低功耗的控制模块,实现超低功耗的光能收集系统,为提高光能收集效率,周期性采集光伏发电机的开路电压,遍历查找表得到阻抗匹配时Boost转换器对应的占空比,实现最大功率点追踪,保证较高的能量转换效率。

参考文献(略)