能量供应电路的制作方法

能量供应电路
1.本发明涉及用于能量收集装置的能量供应电路。
2.能量收集器将来自周围环境的环境能量转换为低电源电压供应。环境能量的来源包括光源、热源、动能源(例如，振动)和射频辐射。
3.能量收集装置通常用作用于负载的电源。它们常常生成较小的能量输出，正因如此，一般适于低功耗应用。从能量收集装置接收电力的负载原则上可以是任何合适的小型系统或耗电装置-例如物联网(iot)传感器、远程传感器、可穿戴装置、植入式装置、烟雾探测器等。
4.能量收集装置一般通过直流-直流转换器(dc-dc转换器)电路连接到负载。dc-dc转换器电路改变电压，并且在其输出端可以向负载供电。然而，申请人已经认识到这在某些应用中提出了挑战，因为源自能量收集装置的电压可能不稳定。
5.本发明旨在至少部分地解决这一问题，并且从第一个方面来看时提供了电路部分，该电路部分包括：
6.能量收集装置，其产生直流(dc)输出；
7.无电感器的基于电容器的dc-dc转换器，其具有连接到能量收集装置的dc输出的输入；
8.输出，其连接到电池；
9.电压限制模块，其包括电压传感器，电压传感器被布置为测量代表电池电压的电压；
10.其中，电压限制模块被布置为如果代表电池电压的电压超过阈值，则限制由dc-dc转换器提供的电压。
11.因此，本领域技术人员将看到，根据本发明，电压限制模块可以防止电路部分向电池供应超过阈值(例如，最大安全电压)的电压以防止损坏。申请人已认识到，这使得能够使用不调整其输出电压的无电感器的基于电容器的dc-dc转换器。还认识到在能量收集供应电路中采用这种dc-dc转换器是可取的。例如，使用无电感器的dc-dc转换器可以具有减小电路尺寸的优点，因为电感器是庞大且昂贵的组件。由于在兆赫(mhz)范围内切换，它们也可能不合期望地与在装置上提供的接收器交互。然而，根据本发明，无电感器的基于电容器的dc-dc转换器(例如，开关电容器dc-dc变换器)可以用于安全地给电池充电，因为电压限制模块可以保护电池免受因过高的电压供应造成的潜在损坏。在优选实施例中，以这种方式，dc-dc转换器的输出电压可以被限制在端接电压以下，同时在端接电压的1％以内。这可以允许电池(例如，锂离子电池)被完全充电而不承受任何损坏。包括无电感器的dc-dc转换器还可以降低电路的成本和尺寸。
12.在一组实施例中，无电感器的基于电容器的dc-dc转换器包括多个电容器。这可以具有提升电压和提高dc-dc转换器的效率的优点。
13.在一组实施例中，电路部分还包括监测模块，监测模块被布置为监测dc-dc转换器的输出电流并基于与dc-dc转换器输出电流相关的信息来调整dc-dc转换器的一个或更多个参数。在一组实施例中，监测模块被布置为通过感测装置测量电流来得出与dc-dc转换器
输出电流相关的信息。感测装置可以包括电阻器或其他欧姆元件，但在一组实施例中包括非欧姆半导体元件。在一组实施例中，dc-dc转换器的可调整参数包括频率和/或输入阻抗。
14.在一组实施例中，监测模块为最大功率点跟踪(mppt)模块。
15.在一组实施例中，电压限制模块还包括开关，开关在dc-dc转换器与电池之间。开关可以被布置为基于通过电压传感器而获得的测量结果来断开或接通。例如，开关可以被布置为如果由电压传感器测量的电压高于阈值电压则接通。电压传感器可以包括具有第一输入和第二输入的比较器，第一输入包括代表电池电压的电压，第二输入包括参考电压。
16.在一组实施例中，dc-dc转换器包括确定dc-dc转换器的工作频率的振荡器。监测模块可以被布置为通过控制振荡器来调整工作频率。在一组实施例中，电压限制模块被配置为基于通过电压传感器而获得的测量结果来降低dc-dc转换器的频率。在一组实施例中，如果在电压传感器处测量的电压高于阈值电压，则dc-dc变换器的频率降低。
17.在一组实施例中，电压限制模块被配置为如果由电压传感器测量的电压高于阈值电压，则停止dc-dc转换器的操作。
18.在一组实施例中，电路部分包括被布置为绕过电池的旁路电路。在一组这样的实施例中，旁路电路被布置为如果由电压传感器测量的电压高于阈值电压，则将来自能量收集装置或dc-dc转换器的电流引导到地。在一组实施例中，旁路电路包括在能量收集装置的输出与dc-dc转换器的输入之间或在dc-dc转换器的输出与电池之间的开关，并且选择性地布置为分别将能量收集装置的输出或dc-dc转换器的输出连接到地。
19.在一组实施例中，电路部分包括一个或更多个负载开关，每一个负载开关提供到所述负载或相应的负载的连接。
20.在一组实施例中，例如，如上所述的其中有多个负载，电路部分包括两个或更多个功率路径。在提供电流监测模块的一组这样的实施例中，监测模块被配置为监测两个或更多个功率路径的电流之和。例如，第一功率路径可以连接到电池，并且第二功率路径可以连接到功能系统(例如，形成可穿戴装置的一部分的模块)。
21.只要适当，本文所述的任何方面或实施例的特征可以应用于本文所述的任何其他方面或实施例。在参考不同的实施例的情况下，应理解这些实施例不一定不同，相反可能重叠。
22.现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
23.图1示意性地示出了根据本发明的电路部分的实施例；以及
24.图2更详细地示出了图1的电路部分的电流感测电路。
25.图1是呈现本发明的电路2的示意性表示。电路2向两个负载44、46(系统负载44和电池46)供应dc电压。
26.电路部分2包括能量收集装置形式的电源4，诸如光伏电池，其连接到dc-dc转换器8。虽然没有详细示出，这是基于电容器的dc-dc转换器(即，没有电感器)，基于电容器的dc-dc转换器使用振荡器来对电容器进行充电和放电以提供所需要的输出电压。可以使用许多不同的配置-例如，具有多个电容器。
27.电路部分2包括电压限制部分，电压限制部分包括连接到过电压保护(ovp)模块24的一个输入22的参考电压源20。ovp 24的第二输入10连接到dc-dc转换器8的输出。ovp 24具有输出26，输出26连接到dc-dc转换器8，用于控制dc-dc转换器8。ovp 24的另一个输出连
接到旁路电路3，旁路电路3可以选择性地将电源4连接到地。例如，旁路电路3可以包括开关。同样，旁路电路3可以被布置为将dc-dc转换器8连接到地。
28.电路部分2还包括由两个负载开关36、38部分地提供的电流感测部分，每个负载开关分别具有并联连接到dc-dc转换器8的输入12、14，并且每个负载开关分别具有连接到最大功率点跟踪(mppt)模块18的输出30、34。每一个负载开关36、38还具有连接到各自的负载44、46的输出40、42，以根据开关的状态选择性地向各自的负载44、46提供电流。与两个负载开关36、38并联的电容器19允许在dc-dc转换器8的输出处的电压值被存储。mmpt模块18形成电流感测部分的一部分，并且具有连接到dc-dc转换器8的输出32，用于控制dc-dc转换器8的某些参数。例如，其内部振荡器的工作频率和其输入阻抗。
29.在图1中，电流感测电路包括两个负载开关36、38，负载开关36、38各自从dc-dc转换器8接收输入电流12、14并且各自具有分别连接到最大功率点跟踪(mppt)模块18的输出30、34。负载开关36、38各自还具有连接到负载44、46的输出40、42。mmpt模块18形成电流感测电路的一部分，并且具有连接到dc-dc转换器8的输出32，用于控制dc-dc转换器的某些参数。dc-dc转换器8还包括确定其工作频率的振荡器(未示出)。
30.图2更详细地示出了电流感测部分50。示出了mppt模块18的一部分。示出了两个负载开关36、38，负载开关36、38二者具有相同的内部结构。如上所述，负载开关36、38各自的输入14、12被连接到dc-dc转换器8的输出，并且因此也连接到电容器19，以便可以从电容器19接收存储的电压16。负载开关40、38每一个还具有从装置上其他位置接收控制信号的控制输入72、74。提供给控制输入72、74的控制电压(vctrl1或vctrl2)被连接到v
dd
或地以断开或接通负载开关38、36，或者可以被布置为电流限制配置中的控制电压。负载开关的输出42、44分别连接到形成两个负载的电池46和系统44。
31.每一个负载开关36、38均内部地包括：运算跨导放大器(ota)52、54；通路场效应晶体管(pass-fet)68、70；复制fet(replica fet)56、58和在本示例中是pmosfet(p沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管)的感测fet(sense fet)76、78。在替换的实施方式中，感测fet 77、78可以是nmosfet(n沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管)，在这种情况下，放大器52、54的输入的极性将被反转。通路fet 68、70和复制fet 56、58一起提供非欧姆半导体元件。复制fet 56、58相对于通路fet 68、70在尺寸上按比例缩小，例如，一千倍。通路fet 68、70采用块体开关(bulk switching)，其中通路fet 68、70的源极端子和漏极端子可以分别通过各自的开关60、64、62、66连接到自己的块体端子，以确保每一个通路fet 68、70的源极、漏极与块体连接之间的寄生p-n结处于高阻抗。
32.通路fet 68的栅极连接到复制fet 56、58的栅极以及控制电压输入72、74。通路fet 68、70的源极连接到复制fet 56、58的源极，以及复制fet 56、58的漏极连接到感测fet 76、78的源极。放大器52、54具有其反相端子以及其非反相端子，其中，反相端子连接到复制fet 56、58的漏极以及感测fet 76、78的源极，以及非反相端子连接到通路fet 68、70的漏极。放大器52、54具有连接到感测fet 76、78的栅极的单端输出。
33.不但具有连接到电池46或系统负载44的输出，负载开关38、36中的每一个还具有来自每个感测fet 76、78的相应的感测电流输出34、30，感测电流输出34、30流入电阻器80而到地。电阻器80两端的电压向施密特触发器比较器84提供了组合输入电压94。施密特触发器比较器84保持其值，直到其检测到足以开启电路中的电平检测的变化。比较器84具有
通过可变电阻器82连接到参考电压源90的其第二输入92。这允许代表来自负载开关的电流34、30的电压与可变参考92进行比较。如图1所示，比较器84的输出96通过mppt模块18的其余部分连接到dc-dc转换器8，用于调节dc-dc转换器8的参数。
34.现在将参考图1和图2来描述dc-dc供应电路的工作。
35.总的来说，能量收集电源4依赖于撞击能量收集电源4的光的量来产生电流。因此，电流将随着环境光水平的变化而波动。产生电流的电压也依赖于其他环境因素，诸如温度。dc-dc转换器8将电压转换为适于负载40、42的不同电平。然而，由dc-dc转换器提供的电压可能不够稳定以提供对电池46进行安全充电所需的电压。
36.通常，许多电池技术对在本领域本身被称为端接电压(termination voltage)的最大电压敏感。超过该最大电压可能会造成电池损坏，缩短其使用寿命或使其无法使用。许多锂离子电池技术要求最大供应电压在1％的精确度以内，以使电源能够对电池进行完全地充电而不损坏电池。如果供应电压不在1％以内，大约会牺牲20％的电荷。
37.因此，过电压保护(ovp)模块24监测在电容器19处的存储电压(vstore)16(其有效地代表提供给电池46的电压)，并且如果达到合适的电压，则禁止dc-dc转换器8。一旦电压16下降到较低的电平，dc-dc转换器8被再次使能。其他的实施方式可以比图1所示的更复杂。例如，ovp 24可以逐渐改变dc-dc转换器8的工作点，以维持存储电压(vstore)10。
38.基于感测电压，存在ovp 24能够控制dc-dc转换器8的许多方式。当ovp 24确定已达到参考电压20时，ovp 24可以向dc-dc转换器8发送控制信号以通过调整dc-dc转换器8中的振荡器的参数来降低dc-dc转换器8的工作频率。替换地，ovp 24可以控制开关36、38以断开或变得更具电阻性。ovp 24还可以通过旁路电路3来将电流从能量收集装置4引导到地，有效地绕过dc-dc转换器8。
39.除了可能的电压波动外，由光伏(pv)电池4产生并在dc-dc转换器8的输出处提供的功率量取决于环境因素以及dc-dc转换器8与当前条件匹配的程度。为了考虑到此，mppt模块18使用本身在本领域已知的mppt算法，基于dc-dc转换器8的输出电流来调整dc-dc转换器8的输入阻抗和振荡频率，以确保从源4提取最大功率。这通过图2的电流感测部分50使能。
40.转向图2可以看出，假设每个开关因各自的控制输入72、74连接到v
dd
而接通，mppt模块18通过从负载开关38、36中的每一个获得感测电流34、30来监测dc-dc转换器8的输出电流。值得注意的是，每一个开关中的运算跨导放大器52、54连接在一对fet(即，相应的通路fet 68、70和复制fet 56、58)两端。该布置意味着分别地最上面的fet 56、68和58、70的尺寸比(例如1：1000)导致与通过通路fet 68、70的电流成比例的(即，千分之一)感测电流30、34流入电阻80。成对的最上面的fet 68、56和70、58是匹配的，在硅上具有相同的长度和相同的物理取向，但是复制fet 56、58的宽度是通路fet 68、70的宽度的千分之一，因此使得上述与流过通路fet 68、70的电流成比例的电流流过复制fet 56、58。主通路fet 68、70的源极和漏极之间的电阻高度依赖于温度、电压和工艺。复制fet 56、58的目的是对此进行补偿。复制fet 56、58的源极连接到同一个网络，因此它们共享相同的电压。运算跨导放大器(ota)52、54和通路fet 76、78迫使复制fet 56、58的漏极处于与通路fet 76、78相同的电压。
41.来自两个开关38、36的感测电流30、34有效地求和被电阻80并转换成电压94，由施
密特触发器比较器84对电压94和参考电压输入92进行比较以输出被mppt模块18读取的值96，并且根据值96而用于调整dc-dc转换器的频率和/或输入阻抗。更具体地，mppt模块18扫过dc-dc转换器8的振荡器的频率值范围(或其他dcdc控制信号)，以找到由感测电流30确定的将导致最大电流流向输出12、14的dc-dc转换器8的设置。一旦这些值在比较器的输入94达到与参考值输入92相匹配的值，则比较器84触发，这时提供参考输入92的可变电阻82能够通过另一个增量逐步增加并且重复该过程。假设dc-dc转换器输出端的电压16是相当恒定的，使得可以通过最大化输送的电流来最大化输送的功率。
42.mppt模块18起作用以最大化dc-dc转换器8的输出电流12、14，使得来自能量收集装置4的功率输送最大化。图2中描述的布置有效地用作反馈回路，使得mppt电路18调整dc-dc转换器8的参数，以便使通过两个开关36、38的电流最大化，从而找到能量收集源4(例如，pv装置)的最大功率点，包括dc-dc转换器8中的任何损耗。
43.如上所述，当提供给输入72的控制电压(vctrl1)接地时，左负载开关38使能并且电流从其输出42流到电池46。当该输入72连接到v
dd
时，左负载开关38被禁止。类似地，当提供给输入74的控制电压(vctrl2)接地时，右负载开关36被使能并且电流从输出40流到系统负载44。当该输入74连接到v
dd
时，右负载开关36被禁止。因此，这允许装置容易对负载的供电进行控制。
44.替换地，控制输入72、74可以连接到电流限制配置中的受控电压，使得受限制的电流将从任一开关42、40输出。例如，如果在控制输入72、74处提供的控制电压要被减小，则通路fet 68、70和复制fet 56、58的栅极电压将被降低，这将降低在每一个的源极端子和漏极端子之间流动的电流。
45.连接到dc-dc转换器8的输出端的电容器19也允许装置快速启动，因为只有电容器19需要被充电到提供给负载开关的工作电压16，而不是在说的电池46的电压。通过开关60、62、64、66，块体开关被包括在负载开关36、38中，从而在两个方向上提供反向隔离。如前所述，在通路fet 68、70的源极/漏极和块体连接之间存在寄生p-n结。块体必须在最高电压，因此寄生p-n结保持反向偏置，并且因此没有电流流过它。开关允许选择块体电压，使其始终处于相对于源极和漏极的最高电压。这是可选的特征，在实施中更复杂，但这意味着即使存储电压(vstore)16超过电池电压(vbat)42，电池46也不会被无意地充电。如果没有块体开关，则一个方向上的电流将不受控制。
46.本领域技术人员将理解，上面列出的实施例允许无电感器的基于电容器的dc-dc转换器(例如，本质上不控制其输出电压的开关电容器dc-dc转换器)被安全地用于从能量收集装置为锂离子电池46充电，该能量收集装置由于其对变化的环境条件的敏感性而在其输出固有地变化。具有无电感器的dc-dc转换器减小了整个电路的尺寸和功耗。
47.因此，本文描述的实施例结合了没有电感器的优点-即较少庞大、昂贵的组件-同时通过确保电池的端接电压不被能量收集电源超过来增加价值。
48.虽然本发明仅与有限数量的实施例相结合进行了详细描述，但应该容易理解的是，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以修改为包含在此之前没有描述过、但与本发明的范围相当的任何数量的变化、改变、替换或等效的设置。此外，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但应理解，本发明的方面可以仅包括一些描述的实施例。因此，本发明不应被视为受上述描述的限制，而仅受所附权利要求书的范围的限制。

技术特征：
1.一种电路部分，包括：能量收集装置，其产生dc输出；无电感器的基于电容器的dc-dc转换器，其具有连接到所述能量收集装置的所述dc输出的输入；输出，其连接到电池；电压限制模块，其包括电压传感器，所述电压传感器被布置为测量代表电池电压的电压；其中，所述电压限制模块被布置为如果所述代表电池电压的电压超过阈值，则限制由所述dc-dc转换器提供的电压。2.根据权利要求1所述的电路部分，其中，所述无电感器的基于电容器的dc-dc转换器包括多个电容器。3.根据权利要求1或权利要求2所述的电路部分，其中，所述电压限制模块还包括开关，所述开关在所述dc-dc转换器和所述电池之间。4.根据前述权利要求中任一项所述的电路部分，其中，所述电压传感器包括具有第一输入和第二输入的比较器，所述第一输入包括所述代表电池电压的电压，所述第二输入包括参考电压。5.根据前述权利要求中任一项所述的电路部分，其中，所述dc-dc转换器包括确定所述dc-dc转换器的工作频率的振荡器。6.根据权利要求5所述的电路部分，其中，所述电压限制模块被配置为基于通过所述电压传感器而获得的测量结果来降低所述dc-dc转换器的工作频率。7.根据前述权利要求中任一项所述的电路部分，其中，所述电压限制模块被配置为：如果由所述电压传感器测量的电压高于所述阈值电压，则停止所述dc-dc转换器的操作。8.根据权利要求7所述的电路部分，包括旁路电路，所述旁路电路被布置为：如果由所述电压传感器测量的电压高于所述阈值电压，则将来自所述能量收集装置或所述dc-dc转换器的电流引导到地。9.根据前述权利要求中任一项所述的电路部分，还包括监测模块，所述监测模块被布置为监测所述dc-dc转换器的输出电流以及基于与所述dc-dc转换器输出电流相关的信息来调整所述dc-dc转换器的一个或更多个参数。10.根据权利要求9所述的电路部分，其中，所述监测模块被布置为通过感测装置测量电流来得出与dc-dc转换器输出电流相关的信息。11.根据权利要求10所述的电路部分，其中，所述感测装置包括非欧姆半导体元件。12.根据权利要求9至11中任一项所述的电路部分，其中，所述dc-dc转换器的一个或更多个参数包括工作频率或所述工作频率和/或输入阻抗。13.根据权利要求9至12中任一项所述的电路部分，包括两个或更多个功率路径，其中所述监测模块被配置为监测两个或多个功率路径的电流总和。

技术总结
提供一种电路部分(2)，其包括：能量收集装置(4)，其产生DC输出；无电感器的基于电容器的DC-DC转换器(8)，其具有连接到能量收集装置的DC输出的输入；输出，其连接到电池(46)；以及电压限制模块(24)。电压限制模块(24)包括电压传感器，电压传感器被布置为测量代表电池(46)电压的电压，并且被布置为如果代表电池(46)电压的电压超过阈值，则限制由DC-DC转换器(8)提供的电压。的电压。的电压。


技术研发人员：菲利普
受保护的技术使用者：北欧半导体公司
技术研发日：2021.10.04
技术公布日：2023/8/9