能量供应电路的制作方法

能量供应电路
1.本发明涉及用于将能量收集装置连接到负载的能量供应电路。
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。这种环境能量的可能来源包括光、热源、动能源(例如振动)和射频(rf)辐射。
3.能量收集装置典型地用作负载的电源。它们通常生成小的能量输出，因此典型地适用于低功率应用。原则上，从能量收集装置接收电力的负载可以是任何合适的消耗电力的小型系统或装置，例如物联网(iot)传感器、远程传感器、可穿戴装置、植入式装置、烟雾检测器等。在许多此类应用中，减少或避免更换电池或将装置连接到分立的电源进行充电的需要是明显的优势。
4.能量收集装置典型地经由直流-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，并且在其输出处可以为负载供电。环境变化，诸如温度变化，可能会改变能量收集装置获得最大功率时的电压。这可能会给收集有用能量的量带来挑战。
5.申请人已经认识到用于能量收集dc-dc转换器的现有方案存在缺点。因此，本发明在现有实现方案的基础上寻求发展。
6.根据本发明的第一方面，提供了一种电路部分，包括：
7.能量收集装置，产生直流输出；
8.dc-dc转换器，具有连接到能量收集装置的dc输出的输入；
9.输出，用于连接到负载；以及
10.监测模块，包括非欧姆半导体元件，并且被布置成通过测量流过非欧姆半导体元件的电流来得出与从dc-dc转换器流出的输出电流相关的信息，
11.其中，监测模块被布置成基于与从dc-dc转换器流出的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。
12.因此，本领域的技术人员将看到，根据本发明，监测模块使用通过非欧姆半导体元件的电流来监测dc-dc转换器的输出电流。然后监测模块可以改变dc-dc转换器的参数以将电路部分的输出调节到期望水平。申请人已认识到，使用非欧姆半导体元件可以降低功耗并因此导致能效更高的电源电路。它还可以提供实现第二优点的机会，取决于所使用的非欧姆半导体元件的类型。
13.例如在一组实施方式中，非欧姆半导体元件包括至少一个二极管。二极管可以提供所需的电压降，但也可以提供反向电流保护的第二优点。
14.在一组实施方式中，非欧姆半导体元件包括至少一个晶体管，例如场效应晶体管(fet)，例如p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(pmosfet)。在一组实施方式中，晶体管被选择性地配置成断开负载。这同样允许提供所需的电压降，同时提供实现负载开关的第二优点。在一组实施方式中，电路部分包括n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nmosfet)和p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(pmosfets)。
15.监测模块可以包括单个晶体管，但是在一组实施方式中，晶体管是第一晶体管，并且监测模块还包括至少第二晶体管，该第二晶体管被布置成传输固定比例的通过第一晶体管传输的dc-dc转换器输出电流。在这样的布置中，第二晶体管可以用作复制晶体管。测量
通过第二晶体管的电流以便得出关于dc-dc转换器输出电流的信息可能更容易且能效更高。复制晶体管可以补偿第一晶体管的端子之间的电阻由于变化的条件(例如，电压、温度和工艺变化)引起的可变性。第二晶体管可以具有比第一晶体管小得多的宽度，使得通过第二晶体管的电流被缩放。
16.在一组实施方式中，晶体管形成负载开关的一部分。在一组实施方式中，电路部分包括两个或更多个负载开关，每个负载开关提供到相应负载的连接。
17.在一组实施方式中，例如在上述多个负载的情况下，电路部分包括两个或多个电源路径。在一组这样的实施方式中，监测模块被配置成监测两个或更多个电源路径的电流总和。例如，第一电源路径可以连接到电池，而第二电源路径可以连接到功能系统，例如形成可穿戴装置一部分的模块。
18.dc-dc转换器可以采用任何合适的形式。然而，在优选的一组实施方式中，dc-dc转换器包括基于电容器的dc-dc转换器。dc-dc转换器可以是开关电容器dc-dc转换器。在一组实施方式中，dc-dc转换器是无电感器dc-dc转换器。这可以具有减小电路尺寸的优点，因为电感器是体积庞大且昂贵的部件，由于在mhz范围内开关，电感器通常会不合期望地与rf接收器相互作用。在一组实施方式中，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转换器效率的优点。
19.监测模块可以包括控制器，该控制器被配置成调整dc-dc转换器的一个或更多个参数。
20.在一组实施方式中，dc-dc转换器的可调整参数包括频率和/或输入阻抗。在这样一组实施方式中，dc-dc转换器可以包括确定dc-dc转换器的操作频率的振荡器。监测模块可以被布置为通过控制振荡器来调整操作频率。
21.在一组实施方式中，监测模块包括比较器装置中的比较器，该比较器装置包括反馈回路。比较器可以是施密特触发器比较器。在一组实施方式中，比较器接收从通过非欧姆半导体元件的电流得出的一个输入和来自参考电压的另一个输入。参考电压可以是可变参考电压。比较器的输出包括与dc-dc转换器的输出电流相关的信息。比较器的输出可以包括dc-dc转换器的输出电流是否增加的指示。可以设置参考电压，使得将dc-dc转换器的输出电流与递增的参考值进行比较，以使得能够搜索dc-dc转换器的一个或更多个最佳参数。因此，在一组实施方式中，反馈回路被布置成使得监测模块调整dc-dc转换器的一个或更多个参数以使通过非欧姆半导体元件的电流最大化，从而找到能量收集装置和dc-dc转换器系统的最大功率点。监测dc-dc转换器输出电流的优点是最大功率点将包括dc-dc转换器中的任何损耗。
22.在一组实施方式中，监测模块是最大功率点跟踪(mppt)模块。
23.本文描述的任何方面或实施方式的特征可以在适当的情况下应用于本文描述的任何其他方面或实施方式。在提及不同实施方式的情况下，应当理解这些实施方式不一定不同但可以交叠。
24.现将参照附图描述仅作为示例的本发明的实施方式，其中：
25.图1示意性地示出了根据本发明的电路部分的实施方式；以及
26.图2更详细地示出了图1的电路部分的电流感测部分。
27.图1是实施本发明的电路部分2的示意图。电路2向两个负载44、46提供dc电压，即
系统负载44和电池46。电路部分2包括具有能量收集装置的形式的电源4，诸如光伏电池，其连接到dc-dc转换器8。虽然未详细示出，但是这是基于电容器的dc-dc转换器(即没有电感器)，其使用振荡器对电容器进行充电和放电以提供所需的输出电压。可以使用许多不同的配置，例如具有多个电容器。
28.电路部分2包括部分地由两个负载开关36、38提供的电流感测部分，每个负载开关36、38具有各自的并联连接到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其提供电流。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。
29.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操作频率及其输入阻抗。
30.电路部分2还包括电压限制部分，其包括参考电压源20，参考电压源20连接到过电压保护(ovp)模块24的一个输入22。ovp模块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以用于控制dc-dc转换器8。
31.图2更详细地示出了电流感测部分50。还示出了mppt模块18的一部分。示出了两个负载开关36、38，它们都具有相同的内部结构。如上所述，它们各自的输入14、12连接到dc-dc转换器8的输出并且因此也连接到电容器19，使得它们可以从其接收存储的电压16。负载开关40、38还各自具有控制输入72、74，其从装置上的其他地方接收控制信号。提供给这些输入72、74的控制电压(vctrl1或vctrl2)连接到地或vdd以断开或接通负载开关38、36，或者可以被设置成在电流限制配置中的控制电压。负载开关的输出42、44连接到分别形成两个负载的电池46和系统44。
32.在内部，负载开关36、38各自包括：运算跨导放大器(ota)52、54；通路fet(pass-fet)68、70；复制fet(replica fet)56、58和感测fet(sense fet)76、78，在该示例中它们是pmosfet。在替选实施方式中，感测fet 76、78可以是nmosfet，在这种情况下对于放大器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尺寸上按比例缩小，例如一千倍。通路fet 68、70采用块体(bulk)开关，其中通路fet 68、70的源极和漏极端子可以分别经由相应的开关60、64、62、66连接到它们自己的块体端子，以确保每个通路fet 68、70的源极、漏极和块体连接之间的寄生p-n结处于高阻抗。
33.通路fet 68的栅极连接到复制fet 56、58的栅极和控制电压输入72、74。通路fet 68、70的源极连接到复制fet 56、58的源极，并且复制fet 56、58的漏极连接到感测fet 76、78的源极。放大器52、54的反相端子连接到复制fet 56、58的漏极和感测fet 76、78的源极，并且其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。
34.除了具有连接到电池46或系统负载44的输出之外，每个负载开关38、36还具有来自每个感测fet 76、78的相应的感测电流输出34、30，其流入电阻器80而接地。电阻器80两端的电压向施密特触发器比较器84提供组合输入电压94。施密特触发器比较器84保持其值，直到它检测到足以实现在电路中进行电平检测的变化。比较器84的第二输入92经由可变电阻器82连接到参考电压源90。这允许将表示来自负载开关的电流34、30的电压与可变
参考92进行比较。比较器84的输出96经由mppt模块18的其余部分连接到dc-dc转换器8，用于调整其参数，如图1所示。
35.现将参照图1和图2描述dc-dc供应电路的操作。
36.总的来说，能量收集电源4根据撞击在其上的光的量产生电流。因此，电流将随着环境光水平的变化而波动。产生电流的电压还取决于其他环境因素，诸如温度。dc-dc转换器8将电压转换为适合于负载40、42的不同电平。然而，由pv电池4产生并在dc-dc转换器8的输出处提供的电量取决于环境因素和dc-dc转换器8与当前条件匹配的程度。为了考虑到这一点，mppt模块18使用本领域本身已知的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，以确保从电源4提取最大功率。这由图2的电流感测部分50实现。
37.转到图2，可以看出mppt模块18通过从每个负载开关38、36获得感测电流34、30来监测dc-dc转换器8的输出电流，假设每个开关因相应的控制输入72、74接地而接通。将注意到，每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。该布置意味着最上面的fet 56、68和58、70的尺寸比，例如分别为1:1000，导致与通过通路fet 68、70的电流成比例(即千分之一)的感测电流30、34流入电阻器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宽度的千分之一，使得与流过通路fet 68、70的电流成比例的上述电流流过复制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。
38.来自两个开关38、36的感测电流30、34被有效地相加并由电阻器80转换成电压94，该电压由施密特触发器比较器84来与参考电压输入92进行比较以输出被mppt模块18读取的值96，并且根据值96，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、34确定的将导致最大电流流动到输出12、14的dc-dc转换器8的设置。一旦这些在比较器的输入94处达到与参考值输入92匹配的值，则比较器84触发，在该点提供参考输入92的可变电阻器82可以通过另一个增量逐步增加并且重复该过程。假定dc-dc转换器输出处的电压16相当恒定，使得可以通过最大化输送的电流来最大化功率输送。
39.因此，mppt模块18用于使dc-dc转换器8的输出电流12、14最大化，使得来自能量收集装置4的功率输送被最大化。图2中示出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，其包括dc-dc转换器8中的任何损耗。
40.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被使能，并且电流从其输出42流向电池46。当该输入72连接到vdd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流向系统负载44。当该输入74连接到vdd时，右负载开关36被禁止。因此，这允许装置容易地对负载的供电进行控制。
41.替选地，控制输入72、74可以连接到电流限制配置中的受控电压，从而受限制的电
流将从开关42、40中的任一个输出。例如，如果要降低在控制输入72、74处提供的控制电压，则通路fet 68、70和复制fet 56、58的栅极电压将降低，这将减小在每个的源极端子和漏极端子之间流动的电流。
42.回到图1，过电压保护(ovp)模块24监测提供给其输入10的电容器19处的存储电压(vstore)。如果达到合适的电压，则ovp 24禁止dc-dc转换器8。一旦电压10下降到较低电平，则dc-dc转换器8被再次使能。这可以防止损坏负载，例如电池46，这可能是由过高的电源电压引起的。其他实现方案可能比图1中所示的更复杂。例如，ovp 24可以逐渐改变dc-dc转换器8的操作点以维持vstore电压。
43.连接到dc-dc转换器8的输出的电容器19还允许装置快速启动，因为只有电容器19需要充电到提供给负载开关的操作电压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。块体必须处于最高电压，因此寄生p-n结保持反向偏置，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，在实现上较复杂，但它意味着电池46永远不会无意中充电，即使存储电压(vstore)16超过电池电压(vbat)42。如果没有块体开关，则一个方向上的电流将不受控制。
44.图1和图2示出的实施方式的一个优点是场效应晶体管56、68、58、70可以形成监测电路的一部分，即图2的电流感测电路50，并且也可以在负载开关38、36中被采用。在监测电路中，通过晶体管56、68、58、70的电流被测量转换为电压并与可变参考电压92进行比较，例如以能够进行最大功率点跟踪。晶体管56、68、76、58、70、78形成可配置的负载开关，在必要时可以将其断开以断开负载，或者可以提供控制电压以形成电流限制配置。
45.用于监测电流感测电路中的电流的场效应晶体管56、68、58、70可以用其他部件代替，诸如二极管。例如，通过一个或更多个二极管的电流可以被测量并与参考输入进行比较。以这种方式使用二极管可以提供减少电流反向流动的优点并且因此将减少电源电路中的功率浪费。
46.尽管仅结合有限数量的实施方式详细描述了本发明，但是应当容易理解本发明不限于这些公开的实施方式。相反，本发明可以被修改以包含此前未描述但与本发明的范围相称的任何数量的变化、改变、替换或等同布置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施方式，但是将理解，本发明的方面可以仅包括所描述的实施方式中的一些实施方式。因此，本发明不应被视为受前述描述的限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。