用于热电能量获取的升压转换器的可变导通电阻开关电路的制作方法

本发明属于微电子科学与技术领域，具体涉及一种用于热电能量获取的升压型转换器的可变导通电阻开关电路。

背景技术：

近年来，基于wban(无线体域网)的智能可穿戴设备成为热门的研究课题。由于体积和可靠性的限制，传统锂电池供电成为智能可穿戴设备用户体验的瓶颈，热电发生器、单太阳能电池和燃料电池等在这一方面有着很大的潜能。然而，这些能源通常只能提供一个很低的电压和较低的功率。一个升压型转换器能有效的解决这个问题。

通常应用于无线传感器中的能量源的提供功率较低，降低了转换器的负载功率，如何能提高转换器的转换效率成为一个重要的问题。在传统的升压转换器中，由于高边开关hsswitch和低边开关lsswitch存在导通电阻，所以升压转换器不可避免地存在开关损失，降低了升压转换器的转换效率。同时，传统升压转换器的开关电路导通电阻均为恒定值，不能适应不同的电源电压，无法做到在所有电源电压条件下转换效率的最大化。因此，降低升压转换器的开关损失成为提高开关转换器转换效率的重要方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于热电能量获取的升压型转换器的可变导通电阻开关电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种用于热电能量获取的升压型转换器的可变导通电阻开关电路，包括可变导通电阻开关电路、高边开关检测比较器、逻辑与门驱动电路、电源电压检测电路、低边开关控制电路和最大功率点跟踪电路；

所述最大功率点跟踪电路连接所述低边开关控制电路，用于产生跟踪信号；

所述低边开关控制电路连接所述逻辑与门驱动电路，用于根据所述跟踪信号得到低边输入信号；

高边开关检测比较器连接所述逻辑与门驱动电路，用于产生高边输入信号；

所述电源电压检测电路连接所述逻辑与门驱动电路，用于产生电压检测信号；

所述逻辑与门驱动电路连接所述可变导通电阻开关电路，用于根据所述低边输入信号、所述高边输入信号和电压检测信号得到高边控制信号和低边控制信号；

所述可变导通电阻开关电路用于根据所述控制信号控制转换开关的开启或关闭。

在本发明的一个实施例中，所述可变导通电阻开关电路包括电压源vs、电阻rs、电容cin、负载电阻rl、负载电容cl、高边开关电路和低边开关电路。

在本发明的一个实施例中，所述高边开关电路包括并联的若干pmos管；所述低边开关电路包括并联的若干nmos管；

所述电压源vs的一端接地，另一端与电阻rs和电感器l1串联；电感器l1的输入端连接电阻rs，输出端与低边开关电路的漏极连接，所述低边开关电路的源极接地；所述高边开关电路的源极与电感器l1连接，高边开关电路的漏极与负载电路的一端连接，负载电路的另一端接地；负载电阻rl一端接pmos管漏极，另一端接地，所述负载电容cl与负载电阻rl并联；所述高边开关电路中pmos管的衬底均与电感器l1的输入端连接；所述低边开关电路中nmos管的衬底均接地；

所述最大功率点跟踪电路的输入端与可变导通电阻开关电路的电感器l1输入端连接，最大功率点跟踪电路的输出端将实时跟踪信号发送至低边开关控制电路，低边开关控制电路将低边控制信号发送至逻辑与门驱动电路；

所述电源电压检测电路检测电压源vs电压，电源电压检测电路的检测结果发送至逻辑与门驱动电路；

所述高边开关检测比较器的第一输入端与pmos管的漏极连接，高边开关检测比较器的第二输入端与nmos管的漏极连接，高边开关检测比较器将比较结果发送至逻辑与门驱动电路；

所述逻辑与门驱动电路将高边控制信号通过pmos管的栅极发送至高边开关电路；逻辑与门驱动电路将低边控制信号通过nmos管的栅极发送至低边开关电路。

在本发明的一个实施例中，还包括保护电路，所述保护电路包括串联的第一二极管和第二二极管，第一二极管与第二二极管串联后与负载电阻rl并联，第一二极管的正极接pmos管漏极，第二二极管的负极接地。

在本发明的一个实施例中，所述高边开关电路包括p1、p2和p3三个并联的pmos管；所述低边开关电路包括n1、n2、n3三个并联的nmos管。

在本发明的一个实施例中所述最大功率点比较电路包括比较器、第一开关、第二开关、第三开关、第一电容和第二电容；

所述第一电容的一端接地，另一端与比较器连接；所述第二电容并联在第一电容两端，所述第三开关并联在第一电容两端，第二电容还与第二开关串联，第二开关的一端分别与第二电容、第一开关、电源电压检测电路的输入端连接，另一端与比较器的第二输入端连接；所述第一开关一端与比较器第一输入端连接，另一端与开关s2连接；

所述第一电容的一端接地，另一端与比较器连接；所述第二电容并联在第一电容两端，所述第三开关并联在第一电容两端；

所述比较器的输出端与低边开关控制电路连接，所述比较器的第一输入端与电感器l1的输入端连接。

在本发明的一个实施例中，所述电阻rs为5ω，电感器l1电感量47μh，电容cin为47μf。

在本发明的一个实施例中，所述高边开关检测比较器为施密特触发器。

在本发明的一个实施例中，所述比较器为施密特触发器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明的高边开关电路与低边开关电路分别采用若干pmos管或nmos管并联的方式，可以在不同的工作电压条件下，通过控制信号的作用调整开关电路的导通电阻，有效降低了开关电路的开关损失；还设有逻辑与门驱动电路，可以通过数字逻辑电路输出若干控制信号；

2.本发明高边开关检测比较器和比较器均采用施密特触发器作为比较器，可以降低噪声对电路的影响。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于热电能量获取的升压转换器的可变导通电阻开关电路的模块框图；

图2为本发明实施例提供的用于热电能量获取的升压转换器的可变导通电阻开关电路的装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的用于热电能量获取的升压转换器的可变导通电阻开关电路与现有的三种开关电路的效果对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种用于热电能量获取的升压型转换器的可变导通电阻开关电路，包括可变导通电阻开关电路、高边开关检测比较器10、逻辑与门驱动电路20、低边开关控制电路30、电源电压检测电路40和最大功率点跟踪电路；

所述最大功率点跟踪电路连接所述低边开关控制电路30，用于产生跟踪信号；

所述低边开关控制电路30连接所述逻辑与门驱动电路20，用于根据所述跟踪信号得到低边输入信号；

高边开关检测比较器10连接所述逻辑与门驱动电路20，用于产生高边输入信号；

所述电源电压检测电路连接所述逻辑与门驱动电路20，用于产生电压检测信号；

所述逻辑与门驱动电路20连接所述可变导通电阻开关电路，用于根据所述低边输入信号、所述高边输入信号和电压检测信号得到高边控制信号和低边控制信号；

所述可变导通电阻开关电路用于根据所述控制信号控制转换开关的开启或关闭。

在本发明的一个实施例中，所述高边开关电路包括并联的若干pmos管；所述低边开关电路包括并联的若干nmos管；

所述电压源vs的一端接地，另一端与电阻rs和电感器l1串联；电感器l1的输入端连接电阻rs，输出端与低边开关电路的漏极连接，所述低边开关电路的源极接地；所述高边开关电路的源极与电感器l1连接，高边开关电路的漏极与负载电路的一端连接，负载电路的另一端接地；负载电阻rl一端接pmos管漏极，另一端接地，所述负载电容cl与负载电阻rl并联；所述高边开关电路中pmos管的衬底均与电感器l1的输入端连接；所述低边开关电路中nmos管的衬底均接地；

所述最大功率点跟踪电路的输入端与可变导通电阻开关电路的电感器l1输入端连接，最大功率点跟踪电路的输出端将实时跟踪信号发送至低边开关控制电路30，低边开关控制电路30将低边控制信号发送至逻辑与门驱动电路20；

所述电源电压检测电路40检测电压源vs电压，电源电压检测电路40的检测结果发送至逻辑与门驱动电路20；

所述高边开关检测比较器10的第一输入端11与pmos管的漏极连接，高边开关检测比较器的第二输入端12与nmos管的漏极连接，高边开关检测比较器将比较结果发送至逻辑与门驱动电路20；

所述逻辑与门驱动电路20将高边控制信号通过pmos管的栅极发送至高边开关电路；逻辑与门驱动电路20将低边控制信号通过nmos管的栅极发送至低边开关电路。

具体的，高边开关电路为三个pmos管并联组成，三个pmos管分别为pmos管p1、pmos管p2和pmos管p3；低边开关电路为三个nmos管并联组成，三个nmos管分别为nmos管n1、nmos管n2和nmos管n3。

具体的，高边开关检测比较器的输出信号、最大功率点跟踪电路产生的低边开关控制电路的输出信号与电源电压检测电路的输出信号，分别传入逻辑与门驱动电路，逻辑与门驱动电路输出控制信号pd1、pd2、pd3、nd1、nd2、nd3，高边控制信号pd1、pd2、pd3分别通过pmos管的栅极传入pmos管p1、pmos管p2和pmos管p3，低边控制信号nd1、nd2、nd3分别通过nmos管的栅极传入nmos管n1、nmos管n2和nmos管n3。

具体的，高边开关电路与低边开关电路分别采用若干pmos管或nmos管并联的方式，可以在不同的工作电压条件下，通过控制信号的作用调整开关电路的导通电阻，有效降低了开关电路的开关损失；还设有逻辑与门驱动电路，通过数字逻辑电路输出若干控制信号。

在本发明的一个实施例中，还包括保护电路，所述保护电路包括串联的第一二极管d1和第二二极管d2，第一二极管d1与第二二极管d2串联后与负载电阻rl并联，第一二极管d1的正极接pmos管漏极，第二二极管d2的负极接地。

具体的，还设有保护电路，可以起到保护电路输出的作用。

在本发明的一个实施例中，所述高边开关电路包括p1、p2和p3三个并联的pmos管；所述低边开关电路包括n1、n2、n3三个并联的nmos管。

在本发明的一个实施例中，所述最大功率点比较电路包括比较器50、第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第一电容c1和第二电容c2；

所述第一电容c1的一端接地，另一端与比较器连接；所述第二电容c2并联在第一电容c1两端，所述第三开关s3并联在第一电容c1两端，第二电容c2还与第二开关s2串联，第二开关s2的一端分别与第二电容c2、第一开关s1、电源电压检测电路40的输入端连接，另一端与比较器的第二输入端52连接；所述第一开关s1一端与比较器的第一输入端51连接，另一端与开关s2连接；

所述第一电容c1的一端接地，另一端与比较器的第二输入端52连接；所述第二电容c2并联在第一电容c1两端，所述第三开关s3并联在第一电容c1两端；

所述比较器50的输出端与低边开关控制电路30连接，所述比较器的第一输入端51与电感器l1的输入端连接。

在本发明的一个实施例中，所述电阻rs为5ω，电感器l1电感量47μh，电容cin为47μf。

在本发明的一个实施例中，所述高边开关检测比较器10为施密特触发器。

在本发明的一个实施例中，所述比较器50为施密特触发器。

具体的，将串联的电压源vs和电阻rs等效为非理想电压源，当电压源vs的电压vs小于25mv时，在电源电压检测电路的作用下，逻辑与门驱动电路向高边开关电路和低边开关电路发送控制信号，使得p1、n1导通，p2、p3、n2、n3关断；当电压源vs的电压vs处于25mv和50mv之间时，电源电压检测电路向逻辑与门驱动电路向高边开关电路和低边开关电路发送控制信号，使得p1、p2、n1、n2处于导通状态，开关管p3、n3将关断；当电压源vs的电压vs大于50mv时，电源电压检测电路向逻辑与门驱动电路向高边开关电路和低边开关电路分别发送高边控制信号和低边控制信号，使得p1、p2、p3、n1、n2、n3处于导通状态。进而，使得本发明在不同的工作电压条件下，通过控制线号的控制低边开关电路和高边控制电路对电路导通电阻的动态调整，有效降低了热电能量获取的升压型转换器的开关损失。

具体的，本发明可以根据不同的电源电压vs自适应调整开关电路的导通电阻，从而能够在不同的电源电压vs下获得更高的转换效率。

具体的，如图3所示为本发明与现有的高导通电阻开关、中导通电阻开关和低导通电阻开关三种开关的效率对比图，可以看出在本发明中，当电源电压vs较低时，可变导通电阻开关的效率与高导通电阻开关效率相当，远高于中导通电阻开关和低导通电阻开关；当电源电压vs较高时，可变导通电阻开关的效率与低导通电阻开关效率相当，远高于高导通电阻开关和中导通电阻开关。

具体的，在降低热电能量获取的升压型转换器的开关损失的同时能够有效降低整体升压型转换器的冷启动电压。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。