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极低电压自启动太阳能采集电路和MPPT设计

极低电压自启动太阳能采集电路和MPPT设计

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作者：刘富林华中科技大学

学位级别：硕士

随着集成电路技术日新月异的迅速发展,电路的小型化、低功耗化、高稳定性促进了物联网设备的广泛应用。同时,物联网智能设备具有的低功耗、小尺寸和低维护成本特性又反过来对低电压低功耗集成电路提出了新的要求,尤其是电源管理模块。... 详细信息

随着集成电路技术日新月异的迅速发展,电路的小型化、低功耗化、高稳定性促进了物联网设备的广泛应用。同时,物联网智能设备具有的低功耗、小尺寸和低维护成本特性又反过来对低电压低功耗集成电路提出了新的要求,尤其是电源管理模块。电池供电的方式需要更换或者充电以维持长期使用,这种方式需要可长期供电的电源来支持,而能采集环境能量的能量采集电路作是具有潜力的供电方案。本论文关注于可实现最大功率点跟踪的低电压太阳能能量采集芯片,瞄准室内条件下太阳能采集应用。该芯片可以在仅有数百毫伏的极低电压条件下的工作,关键模块包括极低压启动电路、极低压时钟驱动电路、升压转换器电路以及最大功率点跟踪电路。因为室内光照条件远弱于室外,并且受限于物联网设备的小尺寸,光伏电池所能提供的电压在100-300mV左右,低于MOS管阈值电压,需要启动电路升压以达到正常电路工作的要求。本文通过低压的时钟产生电路、低压时钟驱动电路和交叉耦合电荷泵实现了低压启动电路,得到500mV电压。500mV的电压提供产生升压转换器控制时钟、分频电路、最大功率点跟踪电路的供电,并组成一个低压的负反馈环路,实现最大功率点跟踪(MPPT)。本文的电路采用130nm工艺,使用Cadence Virtuoso仿真,针对150mV的极低压启动应用,重点研究极低压条件下的环形振荡器、极低压反相器驱动电路、极低压启动升压电路和升压后的时钟产生电路的实现。由于极低压的限制,MOS管一般工作在亚阈值区,本文针对亚阈值条件进行电路改进,在低于300 mV的阈值电压的条件下实现150 mV的振荡时钟,并增幅到230 mV,配合启动电荷泵将150 mV的能量源电压提升到500 mV,启动时间是25 ms,之后的主体电路通过500 mV的电压供电,进一步升压,从而达到极低压条件下正常工作的效果,并且实现了对能量源电压锁定在150 mV最大功率点的效果。

关键词：能量采集系统最大功率点跟踪极低压启动低功耗

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