一种混合工作模式的多输入多输出异步DC-DC转换器

一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
‑
dc转换器
【技术领域】
1.本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器。


背景技术：

2.物联网是继云计算和移动互联网之后的战略级应用，通过和5g通信技术融合，物联网核心芯片有望催生新的战略级市场。实现信号的感知和无线通信的传感节点是物联网关键核心。体积小、成本低、长时间工作的传感节点依赖于充分和可靠的能量供给。受限于节点的体积和成本，电池只能提供极其有限的能量，无法满足长时间工作的要求。因此解决传感节点能量供需之间的矛盾是制约传感节点大规模部署和应用的关键瓶颈，也是物联网技术的关键核心技术之一。
3.近年来多种泛在能源采集技术得以发展，将诸如光能、温差能、机械能、电磁能等能量转化为电能，利用泛在能源采集技术为传感节点持续提供能量并构建自供能节点成为可能。但泛在能源易受环境影响的不稳定特性使得仅仅依靠单一能源的能量采集电路难以提供充分稳定的能量供给，只能作为节点能源的补充。因此自供能节点的实现必须基于多种泛在能源采集技术。
4.dc
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dc转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器，dc
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dc转换器就是重复通断开关，把直流电压或电流转换成高频方波电压或电流，再经整流平滑变为直流电压输出。dc
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dc转换器分为三类：升压型dc
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dc转换器、降压型dc
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dc转换器以及升降压型dc
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dc转换器。buck
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boost dc
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dc变换器，也称升降压变换器，输入电压既能高出输出电压，又能低于输出电压，其实就是将升压转换器和降压转换器进行了合并操作。
5.现有的单电感多输入多输出异步dc
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dc转换器采用升降压(buck
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boost)工作模式，传输功率受限。图1是现有多输入多输出异步buck
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boost dc
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dc转换器工作周期示意图。如图1所示，当能量源1的电压升高到迟滞比较器的迟滞窗口上界，能量源1的状态信号变为1，dc
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dc转换器进入能量源1的工作周期。在此工作周期内，若能量源2的状态信号变为1，也必须等到能量源1的工作周期结束以后才能开始采集能量源2，如此能量源2的电压进一步偏离了最大功率点电压，因此能源供给充足时存在能量采集不充分的问题，无法精确追踪最大功率点。类似的，当前负载的工作周期结束以后才能给其他负载供能，因此多个输出之间存在交叉调节，无法充分供给能量，增大了输出的纹波。
6.有限状态机(finite
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state machine，fsm)，又称为有限状态自动机，简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型，由寄存器组和组合逻辑构成的硬件时序电路，其状态(即由寄存器组的1和0的组合状态所构成的有限个状态)只可能在同一时钟跳变沿的情况下才能从一个状态转向另一个状态，究竟转向哪一状态还是留在原状态不但取决于各个输入值，还取决于当前所在状态。状态机的本质是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法，所有具有逻辑顺序和时序规律的事情都适合用状态机描述。
7.同一侧开关若同时导通就会造成不同通道之间联通，产生电荷再分布损耗，或者产生通道到地之间的通路，造成功率元件烧毁。为避免同一侧开关同时导通，需要在一个开关关断后延迟一段时间再打开其他开关，这段延迟时间就是死区。死区时间是为了使同一侧开关管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时间段。


技术实现要素：

8.本发明的目的是，提出一种能量采集与供给充分的异步buck
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boost dc
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dc转换器。
9.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器，包括多输入多输出电路和混合工作模式异步dc
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dc转换控制电路；所述多输入多输出电路包括输入侧电路、输出侧电路、电池和电感；所述输入侧电路包括用于接入能量源1、2、3、...n的能量源输入开关sh1、sh2、sh3、...shn，输入侧接地开关shg和输入侧接电池开关shb，能量源输入开关sh1、sh2、sh3、...shn接电感第一端，输入侧接地开关shg连接电感第一端和地，输入侧接电池开关shb连接电感第一端和电池阳极，其中n>2，n为正整数；所述输出侧电路包括用于接负载1、2、3、...m的负载输出开关sl1、sl2、sl3、...slm，输出侧接地开关slg和输出侧接电池开关slb，负载输出开关sl1、sl2、sl3、...slm接电感第二端，输出侧接地开关slg连接电感第二端和地，输出侧接电池开关slb连接电感第二端和电池阳极，其中m>2，m为正整数；所述混合工作模式异步dc
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dc转换控制电路包括异步信号发生模块和异步控制逻辑模块，所述异步信号发生模块根据能量源输入电压和片外最大功率点电压比较产生输入状态信号h1、h2、h3、...hn，根据输出接负载电压和片外参考电压比较产生输出状态信号l1、l2、l3、...lm，根据电感电流是否为0产生零电流信号zcd，将电池视为负载和顺位为最末的能量源产生电池供能信号hb；所述异步控制逻辑模块根据异步信号发生模块的输入信号，利用有限状态机循环周期作为所述异步控制逻辑模块工作周期，异步控制sh1、sh2、sh3、...shn，shg、shb，sl1、sl2、sl3、...slm，和slg、slb开关使得所述多输入多输出电路在三种工作模式间切换，实现输出纹波小、对负载充分供能的异步dc
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dc转换，所述三种工作模式包括模式1能量源对电感充能，模式2电感对负载供能，模式3能量源经电感对负载供能。
10.进一步地，有限状态机循环控制所述异步控制逻辑模块一个工作周期的异步控制逻辑如下：
11.a、零电流信号zcd为1、即电感电流为0时，任意输入状态信号变为1，切换所述多输入多输出电路为模式1，由该输入状态信号对应的能量源对电感充能，进入周期开始阶段；
12.b、当a步所述任意输入状态信号变为0，该输入状态信号对应的能量源对电感充能结束，周期开始阶段结束，进入c步；
13.c、分别按顺序检索输入状态信号与输出状态信号；若只存在输入状态信号为1，则切换所述多输入多输出电路为模式1，由顺序在先输入状态信号为1对应的能量源对电感充能；若只存在输出状态信号为1，则切换所述多输入多输出电路为模式2，由电感对顺序在先输出状态信号为1对应的负载供能；若存在输入状态信号为1和输出状态信号为1，则切换所述多输入多输出电路为模式3，由顺序在先输入状态信号为1的能量源直接对顺序在先输出状态信号为1对应的负载供能；若各输入状态信号和各输出状态信号都为0，则切换所述多
输入多输出电路为模式2，由电感对作为负载的电池充电；
14.d、当任意输入状态信号或输出状态信号发生变化，返回c步；
15.e、当零电流信号zcd再次为1、即当前电感电流为0，结束当前工作周期。
16.优选地，所述能量源输入开关数量n＝3，所述负载输出开关数量m＝3；所述异步控制逻辑模块包括用于产生输入脉冲clkh的输入侧脉冲产生模块和用于产生输出脉冲clkl的输出侧脉冲产生模块。
17.优选地，所述异步信号发生模块包括六个迟滞比较器、零电流检测电路、电池供能信号产生电路；三个迟滞比较器分别比较所述输入侧电路三个能量源的输入电压vh1、vh2、vh3和片外最大功率点电压vfo1、vfo2、vfo3，产生输入状态信号h1、h2、h3；三个迟滞比较器分别比较所述输出侧电路三个输出接负载电压vl1、vl2、vl3和片外参考电压vref1、vref2、vref3，产生输出状态信号l1、l2、l3；所述零电流检测电路用于产生零电流信号zcd，所述电池供能信号产生电路用于产生电池供能信号hb。
18.优选地，所述零电流检测电路包括多路选通电路、用于检测输入值是否为0的轨到轨比较器和信号锁存电路；所述多路选通电路选择输出状态信号l1、l2、l3作为轨到轨比较器负端接入电压，所述轨到轨比较器正端接入电感第二端电压vln，所述信号锁存电路在clkl为高时锁存零电流信号zcd。
19.优选地，所述电池供能信号产生电路包括加减计数器、数字逻辑模块和延时模块；所述加减计数器在clkl上升沿对输出状态信号l1、l2、l3计数，l1、l2、l3全为0则减1，l1、l2、l3不全为0则加1；当所述加减计数器输出大于<010>，所述数字逻辑模块输出hb为高；所述延时模块用于对数字逻辑模块输出hb信号进行延时控制。
20.优选地，所述异步控制逻辑模块还包括输入侧有限状态机、输出侧有限状态机、周期开始信号产生电路和死区时间控制电路；周期开始信号产生电路根据异步控制逻辑a、e产生周期开始信号int；在clkh脉冲上升沿输入侧有限状态机转移，在clkl脉冲上升沿输出侧有限状态机转移；输入侧有限状态机和输出侧有限状态机产生开关控制信号，经由死区时间控制电路改变开关状态使得所述多输入多输出电路在三种工作模式间切换。
21.优选地，所述输入侧有限状态机输入信号为zcd、h1、h2、h3，输出信号为sh1、sh2、sh3、shb、shg开关控制信号；所述输出侧有限状态机，输入信号为zcd、int、l1、l2、l3，输出信号为sl1、sl2、sl3开关控制信号，slb和slg开关控制信号由输出侧有限状态机根据异步控制逻辑通过组合逻辑电路产生。
22.优选地，所述混合工作模式异步dc
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dc转换控制电路还包括低压启动电路；所述低压启动电路包括自振荡倍压器和上电重置电路，所述自振荡倍压器的输入为能量源1的输入电压vh1，输出为负载1电压vl1；所述混合工作模式异步dc
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dc转换控制电路上电时，所述自振荡倍压器将vl1的电位抬升为vh1的两倍；当vl1的电位达到0.9v，所述上电重置电路产生重置信号rst，所述多输入多输出异步dc
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dc转换器开始工作，同时自振荡倍压器停止工作。
23.本发明与现有技术相比有益效果是：混合工作模式，混合buck、boost、buck
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boost三种工作模式，异步信号触发下在不同模式间切换；混合工作模式有3种模式，模式1为能量源对电感充能，模式2为电感对负载供能，模式3为能量源经电感对负载供能；传统buck
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boost先后进行模式1与模式2，而混合工作模式下，只要电感电流不为0，dc
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dc转换器允许
在3种模式间的任意切换；通过混合buck、boost、buck
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boost三种工作模式，实现工作周期的压缩，从而提高异步buck
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boost dc
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dc转换器的最大传输功率，改善多输出间交叉调制现象，减小输出纹波，实现负载的充分供给，同时提高最大功率点追踪精度，实现泛在能源的充分采集。
【附图说明】
24.图1是现有多输入多输出异步buck
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boost dc
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dc转换器工作周期示意图；
25.图2是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器总体结构框架示意图；
26.图3a是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器模式1能量源对电感充能工作模式能量供给示意图；
27.图3b是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器模式2电感对负载供能工作模式能量供给示意图；
28.图3c是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器模式3能量源经电感对负载供能工作模式能量供给示意图；
29.图4是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器一个工作周期示意图；
30.图5是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器使用的迟滞比较器结构示意图；
31.图6是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器零电流检测电路示意图；
32.图7是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器电池供能信号产生电路结构示意图；
33.图8是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器异步控制逻辑模块的结构框架示意图；
34.图9是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器输入侧有限状态机的状态转移图；
35.图10是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器输出侧有限状态机的状态转移图；
36.图11是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器低压自启动电路示意图；
37.图12是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器在3.5mw能量源总功率、2.2mw负载总功率工作条件下的仿真结果示意图。
38.附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：1、异步信号发生模块，11、迟滞比较器，12、零电流检测电路，121、多路选通电路，122、轨到轨比较器，123、信号锁存电路，13、电池供能信号产生电路，131、加减计数器，132、数字逻辑模块，133、延时模块，2、异步控制逻辑模块，21、输入侧有限状态机，22、输出侧有限状态机，23、输入侧脉冲产生模块，231、输入侧上升沿脉冲产生模块，232、输入侧下降沿脉冲产生模块，24、输出侧脉冲产生模块，241、输出侧上升沿脉冲产生模块，242、输出侧下降沿脉冲产生模块，25、周期开始信号产生电路，26、死区时间控制电路，3、低电压启动电路，31、自振荡倍压器，32、上电重置电路，321、分压电路，322、静态比较器。
【具体实施方式】
39.下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
40.实施例
41.本实施例实现了一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器。
42.图2是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器总体结构框架示意图。如图2所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器包括：异步信号发生模块1、异步控制逻辑模块2和低电压启动电路3。
43.图3a是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器模式1能量源对电感充能工作模式能量供给示意图；图3b是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器模式2电感对负载供能工作模式能量供给示意图；图3c是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器模式3能量源经电感对负载供能工作模式能量供给示意图。如图3a、图3b、图3c所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器包括所述的混合工作模式包括的3种模式，模式1为能量源对电感充能工作模式；模式2为电感对负载供能工作模式；模式3为能量源经电感对负载供能工作模式。
44.图4是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器一个工作周期示意图。如图4所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器的一个工作周期示例。输入状态信号h1变为高，标志工作周期开始，转换器进入模式1，能量源1对电感充能；输入状态信号h1变为低，φ1周期结束，此时输入状态信号皆为低，输出状态信号l1为高，转换器进入模式2，电感对负载1供能；输入状态信号h2变为高，φ2周期结束，此时h2为高，l1为高，转换器进入模式3，能量源2经电感对负载1供能；l1变为低，φ3周期结束，此时h2为高，输出状态信号皆为低，转换器进入模式1，能量源2对电感充能；l2变为高，φ4周期结束，此时h2为高，l2为高，转换器进入模式3，能量源2经电感对负载2供能；h2变为低，φ5周期结束，此时输入状态信号都为低，l2为高，转换器进入模式2，电感对负载2供能；零电流信号zcd变为高，本工作周期结束。
45.图5是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器使用的迟滞比较器结构示意图。如图5所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器利用迟滞比较器11产生输入状态信号h1、h2、h3和输出状态信号l1、l2、l3，进而控制多输入多输出异步dc
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dc转换器工作模式切换。
46.图6是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器零电流检测电路示意图。如图6所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器用于产生零电流信号zcd的零电流检测电路12，包括多路选通电路121、轨到轨比较器122和信号锁存电路123。多路选通电路121根据输出侧工作状态选择轨到轨比较器122负端接入电压vz，轨到轨比较器122正端接电感输出端vln。信号锁存电路123在clkl为高时锁存零电流信号。
47.图7是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器电池供能信号产生电路结构示意图。如图7所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器电池供能信号产生电路13包括加减计数器131、数字逻辑模块132和延时模块133。加减计数器131在clkl上升沿对l1、l2、l3计数，全为0则减1，不全为0则加1。当计数器输出大于<010>，hb为高。
48.图8是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器异步控制逻辑模块的
结构框架示意图。如图8所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器异步控制逻辑模块2结构框架，由输入侧有限状态机21、输出侧有限状态机22、输入侧脉冲产生模块23、输出侧脉冲产生模块24、周期开始信号产生电路25和死区时间控制电路26组成。当输入状态信号、输出状态信号、零电流信号、电池供能信号等异步信号发生，输入侧脉冲产生模块23和输出侧脉冲产生模块24产生相应的脉冲clkh和clkl。输入侧脉冲产生模块23包括输入侧上升沿脉冲产生模块231和输入侧下降沿脉冲产生模块232。输出侧脉冲产生模块24包括输出侧上升沿脉冲产生模块241和输出侧下降沿脉冲产生模块242。在clkh上升沿输入侧有限状态机21状态转移，输入侧有限状态机21的输入包括零电流信号zcd，输入状态信号h1、h2、h3和电池供能信号hb，状态机输出为sh1、sh2、sh3、shb、shg等输入侧开关控制信号。周期开始信号产生电路25产生int信号。在clkl上升沿输出侧有限状态机22状态转移，输出侧有限状态机22的输入包括零电流信号zcd，周期开始信号int，输出状态信号l1、l2、l3，状态机输出为sl1、sl2、sl3等输出侧开关控制信号。slb和slg开关控制信号由组合逻辑产生。有限状态机产生的开关控制信号，经由死区时间控制电路26改变开关状态。
49.图9是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器输入侧有限状态机的状态转移图。如图9所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器输入侧有限状态机21的状态转移图，以及每一状态对应的输出sh1、sh2、sh3、shb、shg的真值表。
50.图10是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器输出侧有限状态机的状态转移图。如图10所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器输出侧有限状态机22的状态转移图，以及每一状态对应的输出sl1、sl2、sl3的真值表。
51.图11是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器低压自启动电路示意图。如图11所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器低压自启动电路3，由自振荡倍压器31和上电重置电路32组成。上电重置电路32包括分压电路321和静态比较器322。当能量源1上电，自振荡倍压器31开始振荡，并将vl1抬升到2倍vh1电压。静态比较器322将外部给定启动电压vsu和vl1经分压电路321分压后的vl1d比较，当vl1d超过vsu，产生rst信号，dc
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dc转换器开始工作，同时产生的en信号关闭了自振荡倍压器31。en信号同时关闭了n型晶体管m1，改变了分压电路321的分压系数。
52.图12是一种混合工作模式的多输入多输出异步dc
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dc转换器在3.5mw能量源总功率、2.2mw负载总功率工作条件下的仿真结果示意图。如图12所示，本实施例一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器在大功率工作条件下可以根据能量源与负载情况在三种工作模式间任意切换，输入和输出的纹波控制良好，实现充分采集能量与充分供给负载。
53.本实施例是一种应用混合工作模式的异步dc
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dc转换器，可以根据能量源与负载情况在三种工作模式间任意切换，实现工作周期的压缩，从而提高异步dc
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dc转换器的最大传输功率，减小了输出纹波，提高了最大功率点追踪精度，解决了现有异步buck
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boost(升降压)dc
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dc转换器能量采集与供给不充分的问题。
54.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。