本發(fā)明涉及一種新型直流能量收集及管理芯片及其運行方法，屬于能量采集。

背景技術：

1、隨著物聯(lián)網技術、便攜式設備和無線傳感器不斷發(fā)展，如何高效地為其供電成為了關鍵問題。眾所周知，傳統(tǒng)的電池供電具有電池的能量密度不高、續(xù)航能力時間有限，體積大、不易攜帶等缺點，而且需要人工定期維護與更換，因此人們提出一種新的技術來為設備供電，即能量收集技術，能量收集技術是將環(huán)境中存在的能量收集起來，再將收集的能量轉換為電能，由于環(huán)境中的能量是可持續(xù)存在的，減少了與電池供電相關的人工干涉以及維護成本，所以環(huán)境能量收集技術受到越來越多的關注與研究，并被廣泛應用于軍事、農業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、科研等各個領域。

2、目前，常見的環(huán)境中可用來收集的能量包括：光能，熱能和振動能。其中光能收集技術發(fā)展時間長且技術較為成熟，并且應用領域較多，但是受到光照強度因素的影響，限制了其應用范圍。熱能也即熱梯度能收集技術基于溫度梯度的大小，溫差越大，收集效率越高，只要有溫差存在的地方，就會有能量差，且其能量產生很少受外在干擾的影響。振動能無處不在，隨處可見，并且振動能能量密度高，轉化效率高，易于收集。比如人體行走時身體的振動，汽車行駛時發(fā)動機的振動，火車行駛時車身的振動等等，都會產生振動能，都可以作為能量收集系統(tǒng)的能量源，都可以收集并轉化為電能給微型設備供電。

3、能量采集電路和能量管理電路是能量收集技術的重要組成部分，如何將輸出功率最大化用來提供給負載供電，以及能量高效管理是目前研究的重點。在最大功率跟蹤電路中，一般主要將環(huán)境中的微弱能量或者逐步損耗的能量進行收集加以利用，然而一般輸入的功率較低，而且受到環(huán)境的影響較大，所以在設計的過程中一般都會引用mppt電路，使得輸入功率最大化輸出。在mppt電路中，響應的速度盡可能的快，輸入到轉換器的電壓具有寬的輸入范圍，以及電壓跟蹤的精度高效都是最大功率的保證。能量收集電路的起始電壓一般較低，不能直接供電使用，需要設計的低壓啟動電路，加入阻抗較低以及閾值電壓低的mos管，在低輸入電壓的情況下能夠實現(xiàn)啟動電路。

4、綜上所述，能量采集技術的性能優(yōu)劣至關重要，低功耗、高效率、高集成度和穩(wěn)定性是能量采集系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，能量收集技術在芯片領域還在逐步上升的階段，未來的前景具有很大的應用場景。

5、針對于此，本專利提出了一種新型直流能量收集及管理芯片及其運行方法，相較于其他能量收集系統(tǒng)，采用新型最大功率點追蹤，可以實現(xiàn)更高速率的開路電壓采樣，減小采樣時間，減小系統(tǒng)損耗；增加能量存儲系統(tǒng)，將多余的能量存儲在超級電容器或鋰電池等儲能元件中，集成充電管理與保護電路，提高能量利用率；采用低功耗、高效率buck轉換器對能量進行管理，可直接為系統(tǒng)負載產生穩(wěn)定電壓。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有能量收集系統(tǒng)中低輸入電壓的情況下能夠實現(xiàn)啟動電路，能量利用率低一級采樣時間長的技術問題，進而提出一種新型直流能量收集及管理芯片及其運行方法。

2、本發(fā)明為解決上述問題采取的技術方案是：本發(fā)明提出一種新型直流能量收集及管理芯片，包括：

3、低壓冷啟動環(huán)路、新型mppt算法能量收集電路和能量管理電路；

4、低壓冷啟動環(huán)路的輸入端連接直流電壓vin_dc，輸出端連接mos管mn1，用于在低電壓水平下激勵內部電壓轉換電路，使電路過渡到正常工作狀態(tài)；

5、新型mppt算法能量收集電路的輸入端連接直流電壓vin_dc，輸出端接功率管mn2、mp1柵極，用于收集能量，并采用固定導通時間控制模式穩(wěn)定輸入電壓，將環(huán)境能量收集轉換為電能，通過瞬態(tài)增強型mppt算法電路實現(xiàn)最大功率追蹤；

6、能量管理電路輸入端接一級儲能元件cstor，輸出端分別接二級儲能元件端口vbat和vout，用于對一級儲能元件cstor的狀態(tài)進行判決，將判決結果輸入至控制模塊產生不同的使能信號uv和en，并開啟相應的管理模式q1、q2，實現(xiàn)對收集能量的高效率管理。

7、可選的，低壓冷啟動環(huán)路包括鉗位電路、最優(yōu)振蕩器、時鐘倍增器和邏輯控制電路；

8、鉗位電路用于增大輸入電壓；

9、最優(yōu)振蕩器用于提高冷啟動效率；

10、時鐘倍增器用于提高開關管柵壓，增強開關管的驅動能力，激勵電路過渡到正常工作狀態(tài)；

11、邏輯控制電路用于產生por信號關閉冷啟動。

12、可選的，新型mppt算法能量收集電路包括能量收集器、mppt電路模塊、參考電壓產生模塊、欠壓、過壓保護電路、cot時鐘發(fā)生器、控制電路、柵極驅動器、過零檢測電路；

13、能量收集器用于收集環(huán)境能，并將收集的環(huán)境能轉化為電能；

14、mppt模塊用于采樣開路電路得到vmppt電壓；

15、參考電壓產生模塊將vmppt電壓作為參考電壓信號；

16、欠壓、過壓保護電路用于對一級儲能元件cstor的電壓進行異常檢測；

17、cot時鐘發(fā)生器用于產生時鐘；

18、控制電路用于對一級儲能元件cstor的電壓進行對比檢測；

19、柵極驅動器用于控制信號φ1和φ2

20、過零檢測電路用于檢測零電感電流。

21、可選的，能量管理電路包括檢測模塊、控制模塊、充電管理模塊、二級儲能元件、系統(tǒng)負載cout和降壓轉換器；

22、檢測模塊用于對一級儲能元件cstor的狀態(tài)進行判決；

23、控制模塊用于接收判決結果并通過通知邏輯產生使能信號uv和en；

24、充電管理模塊用于接收使能信號uv執(zhí)行q1管理模式；

25、二級儲能元件用于儲存超過欠電壓閾值的多余能量；

26、系統(tǒng)負載cout用于對dc-dc降壓轉換器的輸出電壓檢測，使輸出電壓與系統(tǒng)負載cout相等；

27、dc-dc降壓轉換器用于接收使能信號em執(zhí)行q2管理模式。

28、可選的，充電管理模塊包括軟起動、電源監(jiān)測模塊、恒流-恒壓控制環(huán)路、狀態(tài)控制模塊、自動再充電模塊和基準電路；

29、軟起動用于降低充電管理模塊的啟動電流，實現(xiàn)充電管理模塊的平滑啟動；

30、電源檢測模塊用于對二級儲能元件充電過程中的電壓進行實時監(jiān)測；

31、恒流-恒壓控制環(huán)路用于以恒流和恒壓的方式對二級儲能元件進行充電；

32、狀態(tài)控制模塊用于選擇二級儲能元件的充電模式；

33、自動再充電模塊用于對待機狀態(tài)的二級儲能元件進行充電；

34、基準電路用于提供基準電壓。

35、可選的，dc-dc降壓轉換器包括功率級電路、補償模塊和輔助模塊；

36、功率級電路用于控制輸出電壓的功率；

37、補償模塊用于修正輸出電壓失調誤差；

38、輔助模塊用于對系統(tǒng)負載cout進行過溫保護和過零檢測zcd。

39、一種新型直流能量收集及管理芯片的運行方法，包括：

40、步驟1：在初始電壓不足以激勵內部電路工作時，基于低壓冷啟動環(huán)路中的最優(yōu)振蕩器產生時鐘，經過時鐘增倍器得到時鐘方波，基于時鐘方波驅動mos管mn1，利用鉗位電路將初始輸入電壓升至2.5v，邏輯控制電路產生por信號關閉冷啟動，使電路過渡到正常工作狀態(tài)；

41、步驟2：基于新型mppt算法能量收集電路中的能量收集器將環(huán)境能轉換為電能，基于轉換的電能為一級儲能元件cstor充電，通過改變占空比穩(wěn)定輸入電壓，對輸出電壓升壓，實現(xiàn)最大功率點追蹤；

42、步驟3：基于能量管理電路中的檢測模塊對一級儲能元件cstor的狀態(tài)進行判決，將判決結果輸入控制模塊，經過控制模塊的控制邏輯產生使能信號uv和en，將使能信號uv信號輸入充電管理模塊和二級儲能元件執(zhí)行q1管理模式，將使能信號en輸入系統(tǒng)負載cout和降壓轉換器執(zhí)行q2管理模式，實現(xiàn)對收集能量的高效率管理。

43、可選的，步驟2中實現(xiàn)最大功率點追蹤具體包括：

44、將mppt模塊采樣開路電壓得到的vmppt電壓作為新型mppt算法能量收集電路的參考電壓信號，將參考電壓信號和直流電壓vin_dc比較，產生一定占空比的方波信號，驅動開關管mn2、mp1工作，根據(jù)輸入輸出電壓與占空比的比例關系，改變占空比直至vin_dc與參考電壓相等，過零檢測電路檢測到零電感電流，關斷功率管mp防止電感電流倒流，自動切換連續(xù)導通模式ccm與斷續(xù)導通模式dcm兩種工作模式，實現(xiàn)最大功率點追蹤。

45、可選的，步驟3中q1管理模式具體包括：

46、當一級儲能元件cstor超過欠電壓閾值時，將多余能量存儲在二級儲能元件中，采用統(tǒng)一運放進行三段式充電管理，以低靜態(tài)電流實現(xiàn)恒流-恒壓的平滑轉換，若充電時的二級儲能元件的電壓低于3v時，則進入涓流模式，采用0.1c的小電流充電；二級儲能元件電壓高于3v時，采用恒定大電流1c充電；二級儲能元件電壓高于4.1v時進行過渡階段，采用恒壓的充電方式，若充電電流減小到0.1c時，二級儲能元件處于待機狀態(tài)，停止充電，當二級儲能元件電壓下降到4.05v時，進行自動再充電。

47、可選的，步驟3中q2管理模式具體包括：

48、開啟dc-dc降壓轉化器，設計pwm/pfm/psm三種模式，完成所有負載條件下的能量高轉換效率，在工作過程中，當輸入電壓低于預設輸出電壓時，dc-dc降壓轉化器進入100％占空比模式，形成一條電源-電感-負載的直接通路，使輸出電壓接近預設值用于系統(tǒng)負載cout。

49、本發(fā)明的有益效果是：

50、1、本發(fā)明改進傳統(tǒng)的低壓冷啟動環(huán)路，采用基于native?nmos管的上電復位電路、輸入電壓鉗位電路以及最優(yōu)振蕩器頻率設定，環(huán)形振蕩器的頻率太快，會導致功率管柵端驅動能力不夠，能量傳輸效率降低；而由于啟動初始的功率管導通程度有限，環(huán)形振蕩器頻率過慢，將會導致電感電流被鉗位而無法正常變化，輸出電壓無法正常上升，因此進行合適的振蕩器頻率設定。

51、2、本發(fā)明改進傳統(tǒng)的開路電壓法，采用參考電壓產生電路、瞬態(tài)增強型mppt算法電路，結合功率級環(huán)路電流對輸入電容充電，顯著提高了開路電壓采樣的速率，使其適用于微弱能量的采集；同時在vmppt電壓選擇過程中，利用參考電壓產生電路對輸入電壓先進行上拉、下拉操作，實現(xiàn)采樣-穩(wěn)定狀態(tài)的平緩過渡。

52、3、本發(fā)明提出一種新型能量管理策略，通過能量管理電路對收集的能量進行高效率管理，根據(jù)一級儲能元件的狀態(tài)執(zhí)行不同的管理模式：當q1管理模式時，開啟基于統(tǒng)一運放的充電管理模塊，將多余能量存儲在二級儲能元件超級電容器或鋰離子電池中；當q2管理模式時，開啟dc-dc降壓轉化器，采用pwm/pfm/psm三種模式以及100％占空比模式，提高能量轉換效率，使輸出電壓盡可能接近預設值用于系統(tǒng)負載。