一种用于复合微能量收集的SOC集成电路装置

一种用于复合微能量收集的soc集成电路装置
技术领域
1.本实用新型涉及一种用于复合微能量收集的soc集成电路装置，属于复合微能量收集领域。


背景技术：

2.目前，为了减少对化石能源的依赖程度，能量收集技术变得日趋重要，尤其是一些微能量的收集，比如当今的可穿戴设备会给人类生活带来极大的便捷性。但由于此类设备的体积较小，配置较大的电池成本高，其能量收集系统的体积过大，可集成度差，效率低下，使用也不方便，但是较小的电池又往往导致续航很短，同样使用也不方便。


技术实现要素：

3.为了弥补现有技术的缺点，本实用新型专利提供一种体积小、成本低、为可穿戴设备供电的用于复合微能量收集的soc集成电路装置。
4.本实用新型专利的技术方案：
5.本实用新型一种用于复合微能量收集的soc集成电路装置，其包括压电
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光电能量收集器和soc集成电路模块，所述压电
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光电能量收集器与soc集成电路模块连接；
6.所述soc集成电路模块包括cmos全波整流电路模块、cmos能量收集电路模块、cmos能量存储电路模块、cmos稳压电路模块，所述cmos全波整流电路模块输入端接压电
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光电能量收集器的原始交流输出，输出为直流接入后面的cmos能量收集电路模块，所述cmos能量收集电路模块收集前级全波整流后的能量存储到其前级缓冲小电容内，所述cmos能量存储电路模块将前级缓冲小电容c2内的能量存储到其后级缓冲大电容内，所述稳压电路模块将后级缓冲大电容内的能量转换为稳定的电压为后面的负载供电。
7.进一步地，所述压电
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光电能量收集器包括压电能量收集器和光电能量收集器，所述压电能量收集器与soc集成电路模块直接连接，所述光电能量收集器通过二极管和soc集成电路模块连接。
8.进一步地，所述cmos全波整流电路模块由n型mos管q1,q3与p型mos管q2，q4构成，所述q1,q2,q3,q4均为超低功耗cmos器件。
9.进一步地，所述cmos能量收集电路模块包括施密特触发器控制电路、电阻r1，缓冲小电容，n型mos管q10，p型mos管q9；所述施密特触发器控制电路采用cmos施密特触发器控制，所述缓冲小电容包括电容c1、电容c2；
10.所述电容c1的一端连接到能量收集器的输出端vio，另一端接地；所述电容c2的一端与cmos施密特触发器的输入端和p型mos管q9的漏极相连，另一端接地；
11.所述的r1的一端接cmos能量收集电路模块的输出端vio，另一端接n型mos管q10的漏极，所述的n型mos管q10的栅极接cmos能量收集电路模块的输出vio，源极接地，漏极接电阻r1的一端，所述的n型mos管q10的栅极接p型mos管q9的漏极，源极接cmos能量收集电路模块的输出vio，漏极接电容c2的正极端，所述的施密特触发器的供电电源接cmos能量收集电
路模块的输出vio端，输入端接电容c2的正极，同时提供vin1，即需要收集的微能量信号，施密特触发器的输出端为芯片提供使能信号en，gnd端口接地。
12.进一步地，所述cmos施密特触发器包括p型mos管q11,q12,q15,n型mos管q13,q14，q16，所述p型mos管和n型mos管相互钳制，使前级小电容c1优先充电，为cmos施密特触发器供电，当缓冲小电容c1的电压达到一定阈值之后，为后级缓冲小电容c2充电，当缓冲小电容c2的电压达到cmos施密特触发器的控制电压后，缓冲小电容c2输出能量到cmos能量存储电路模块。
13.进一步地，所述cmos能量存储电路模块包括基本的boost电路，缓冲大电容，电阻r3，r4，r5,r6,r7,r8,比较器ⅰ，误差放大器ⅰ，电压基准源ⅰ，锯齿波发生器ⅰ，所述比较器ⅰ由mos管q36,q37,q38,q39,q40,q41,q42,q43所构成的电流源电路与由mos管q44到q55构成的差分放大器构成，电流源中的q39连接在q47和q48的漏端，电流源中的q40连接在q55的栅极，和q54的漏端，从而给整个差分放大器提供偏置电流；所述误差放大器ⅰ是由mos管q22到q27构成的电流源电路与mos管q28到q35所构成的带密勒补偿的二级运放构成，电流源的q22的栅极连接在q28和q34的栅极，为二级运放提供合适的偏置电流；所述电压基准ⅰ是由mos管q55到q59，电阻r11,r12,晶体管q60,q61,q62构成，它的输出端vref为芯片提供电压基准；所述锯齿波发生器ⅰ是由q62,q63,q64,q65,q66与电阻r13,r14,r15,r16,r17,电容c7，c8，和比较器ⅲ构成。
14.进一步地，所述缓冲大电容包括电容c4和电容c5。
15.进一步地，所述cmos能量存储电路模块采用boost电路将输入电压提升到1.8v到5.5v，适合给电容c4，c5充电。
16.进一步地，所述稳压电路包括基本的buck
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boost电路,电阻r18,r19,r20,r21, 比较器ⅱ，误差放大器ⅱ，电压基准ⅱ，锯齿波发生器ⅱ，所述比较器ⅱ是由mos管q86,q87,q88,q89,q90,q91,q92,q93所构成的电流源电路与由mos管q94到q105构成的差分放大器构成，电流源中的q89连接在q97和q98的漏端，电流源中的q90连接在q105的栅极，和q104的漏端，从而给整个差分放大器提供偏置电流；所述误差放大器ⅱ由mos管q72到q77构成的电流源电路与mos管q78到q85所构成的带密勒补偿的二级运放构成，电流源的q72的栅极连接在q78和q84的栅极，为运放提供合适的偏置电流；所述电压基准ⅱ由mos管q106到q110，电阻r24,r25,晶体管q111,q112,q113构成，它的输出端ref为芯片提供电压基准；所述锯齿波发生器ⅱ由q114,q115,q116,q117,q118与电阻r26,r27,r28,r29,r30电容c11，c12，和比较器ⅳ构成。
17.进一步地，所述cmos稳压电路模块采用buck
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boost升降压电路，将1.8v到5.5v的电压转换为5v的电压为后端负载和电池进行持续供电。
18.有益效果
19.该种用于压电
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光电复合微能量收集的soc集成电路芯片能够达到的效果如下：
20.第一，可以同时复合收集压电和光电两种形式的能量，将人体运动的能量进行采集；
21.第二，采用cmos工艺，功耗低，效率高，soc芯片极大地减小了电路体积，在能量存储方面采用电容作为存储介质，便于为可穿戴设备供电，市场价值大。
附图说明
22.图 1 为本实用新型一种用于复合微能量收集的soc集成电路装置的cmos电路结构图；
23.图 2 为图1的cmos全波整流电路模块的电路结构原理图；
24.图3 为图1的cmos能量收集电路模块的电路结构原理图；
25.图4 为图1的cmos能量存储电路模块的内部结构图；
26.图5 为图1的cmos稳压电路的内部结构图；
27.图6 为能量存储电路中的cmos误差放大器ⅰ的电路结构图；
28.图7 为能量存储电路中的cmos比较器ⅰ的电路结构图；
29.图8为锯齿波发生器ⅰ中的cmos比较器ⅲ的电路结构图；
30.图9为能量存储电路中的电压基准ⅰ的电路结构图；
31.图10 为能量存储电路的锯齿波发生器ⅰ的发生电路结构图；
32.图11 为稳压电路中的cmos误差放大器ⅱ的电路结构图；
33.图12为稳压电路中的cmos比较器ⅱ的电路结构图；
34.图13 为锯齿波发生器ⅱ中的cmos比较器ⅳ的电路结构图；
35.图14 为稳压电路的电压基准ⅱ的电路结构图；
36.图15 为稳压电路中的锯齿波发生器ⅱ的发生电路结构图。
具体实施方式
37.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述。
38.本实用新型一种用于复合微能量收集的soc集成电路装置，其包括压电
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光电能量收集器和soc集成电路模块，所述压电
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光电能量收集器与soc集成电路模块直接连接。压电
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光电能量收集器可以将太阳能、压力带来的能量转换为微弱的电能。压电
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光电能量收集器包括压电能量收集器和光电能量收集器，压电能量收集器与soc集成电路模块直接连接，光电能量收集器通过二极管d1和soc集成电路模块连接。
39.soc集成电路模块包括cmos全波整流电路模块、cmos能量收集电路模块、cmos能量存储电路模块、cmos稳压电路模块。所述cmos全波整流电路模块输入压电
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光电能量收集器的原始交流输出，输出为直流接入后面的cmos能量收集电路模块，所述cmos能量收集电路模块收集前级全波整流后的能量存储到其前级缓冲小电容c2内，所述cmos能量存储电路模块将前级缓冲小电容c2内的能量存储到其后级缓冲大电容c4和c5内，所述cmos稳压电路模块将后级缓冲大电容c4和c5内的能量转换为稳定的电压为后面的负载供电。整个电路的vio都连接在cmos全波整流电路模块的输出端。整个soc集成电路装置绝大部分器件采用mos器件进行集成，整流管采用超低功耗cmos器件，能量损耗低，速度快。所述cmos能量收集电路模块采用cmos施密特触发器控制，所述cmos能量存储电路模块采用boost电路和以电容为介质的电压存储单元，所述cmos稳压电路模块采用buck
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boost电路。
40.本实施例中，cmos全波整流电路模块采用超低功耗cmos整流电路，如图2所示，由n型mos管q1,q3与p型mos管q2,q4构成，整流管q1,q2,q3,q4用超低功耗cmos器件，能量损耗低，速度快。当外界采集的的微弱电信号vpiezo和vphoto经过此整流电路输入端，会在输出端产生一个近似为直流的电压，再供给后方的cmos能量收集电路。
41.本实施例中，cmos能量收集电路模块包括施密特触发器控制电路、缓冲小电容、电阻r1、n型mos管q10，p型mos管q9，其施密特触发器控制电路采用cmos施密特触发器控制，缓冲小电容包括电容c1、电容c2，为存储介质，如图3所示。cmos施密特触发器，如图3所示，由p型mos管q11,q12,q15,n型mos管q13,q14，q16构成，p型mos管和n型mos管相互钳制，使前级缓冲小电容c1优先充电，为cmos施密特触发器供电，当前级缓冲小电容c1的电压达到一定阈值之后，为后级缓冲小电容c2充电，当后级缓冲小电容c2的电压达到cmos施密特触发器的控制电压后，后级缓冲小电容c2输出能量到cmos能量存储电路模块。
42.具体地，电容c1的一端连接到能量收集器的输出端vio，另一端接地。电容c2的一端与cmos施密特触发器的输入端和p型mos管q9的漏极相连，另一端接地。所述r1的一端接能量收集器的输出端vio，另一端接n型mos管q10的漏极，所述n型mos管q10的栅极接能量收集器的输出vio，源极接地，漏极接电阻r1的一端，所述n型mos管q10的栅极接p型mos管q9的漏极，源极接能量收集器的输出vio，漏极接电容c2的正极端，所述施密特触发器的供电电源接能量收集器的输出vio端，输入端接电容c2的正极，同时提供vin1，即需要收集的微能量信号，施密特触发器的输出端为芯片提供使能信号en，gnd端口接地。
43.本实施例中，cmos能量存储电路模块包括基本的boost电路，缓冲大电容，电阻电阻r3，r4，r5,r6,r7,r8,比较器ⅰ，误差放大器ⅰ，电压基准源ⅰ，锯齿波发生器ⅰ，如图4所示，缓冲大电容包括电容c4,电容c5。比较器ⅰ电路如图5所示，它是由mos管q36,q37,q38,q39,q40,q41,q42,q43所构成的电流源电路与由mos管q44到q55构成的差分放大器构成，电流源中的q39连接在q47和q48的漏端，电流源中的q40连接在q55的栅极，和q54的漏端，从而给整个差分放大器提供偏置电流。误差放大器ⅰ电路如图6所示，是由mos管q22到q27构成的电流源电路与mos管q28到q35所构成的带密勒补偿的二级运放构成，电流源的q22的栅极连接在q28和q34的栅极，为二级运放提供合适的偏置电流。电压基准ⅰ电路如图7所示，是由mos管q55到q59，电阻r11,r12,晶体管q60,q61,q62构成，它的输出端vref为芯片提供电压基准。锯齿波发生器ⅰ如图8所示，是由q62,q63,q64,q65,q66与电阻r13,r14,r15,r16,r17,电容c7，c8，和比较器ⅲ构成，比较器ⅲ如图9所示。当整个电路工作时，由能量收集电路产生的输入信号vin1通过基本的boost电路进行升压，然后开始向后级的电容c4,c5存储，r3,r4对输出信号采样，将采样信号通过电阻r6连接到误差放大器ⅰ的反向输入端，电压基准ⅰ的输出连接到误差放大器ⅰ的同向输入端，误差放大器ⅰ将二者的误差信号放大然后送到比较器的同相输入端，比较器ⅰ的反向输入端连接锯齿波发生器ⅰ的输出，然后在比较器ⅰ的输出端会输出pwm信号，进而驱动q18,q19构成的推挽电路，从而对整个电路进行环路控制，提高整体的稳定性。
44.cmos能量存储电路模块采用boost电路将输入的微弱电压提升到1.8v到5.5v的电压，为后级缓冲大电容c4，c5充电。
45.本实施例中，稳压电路包括基本的buck
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boost电路,电阻r18,r19,r20,r21, 比较器ⅱ，误差放大器ⅱ，电压基准ⅱ，锯齿波发生器ⅱ，如图10所示。比较器ⅱ电路如图11所示，它是由mos管q86,q87,q88,q89,q90,q91,q92,q93所构成的电流源电路与由mos管q94到q105构成的差分放大器构成，电流源中的q89连接在q97和q98的漏端，电流源中的q90连接在q105的栅极，和q104的漏端，从而给整个差分放大器提供偏置电流。误差放大器ⅱ电路如图12所示，是由mos管q72到q77构成的电流源电路与mos管q78到q85所构成的带密勒补偿的
二级运放构成，电流源的q72的栅极连接在q78和q84的栅极，为运放提供合适的偏置电流。电压基准ⅱ电路如图13所示，是由mos管q106到q110，电阻r24,r25,晶体管q111,q112,q113构成，它的输出端ref为芯片提供电压基准。锯齿波发生器ⅱ如图14所示，是由q114,q115,q116,q117,q118与电阻r26,r27,r28,r29,r30电容c11，c12，和比较器ⅳ构成，比较器ⅳ如图15所示。当整个电路工作时，由boost电路产生的输入信号vin2通过基本的buck
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boost电路进行稳压，然后由vout开始向后级的负载供电，r18,r19对输出信号采样，将采样信号通过电阻r20连接到误差放大器ⅱ的反向输入端，电压基准ⅱ的输出连接到误差放大器ⅱ的同向输入端，误差放大器ⅱ将二者的误差信号放大然后送到比较器ⅱ的同相输入端，比较器ⅱ的反向输入端连接锯齿波发生器ⅱ的输出，然后在比较器ⅱ的输出端会输出pwm信号，进而驱动q70,q71构成的推挽电路，从而对整个电路进行环路控制，提高整体的稳定性。
46.cmos稳压电路模块采用buck
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boost升降压电路，将1.8v到5.5v的电压转换为5v的电压为后端负载和电池进行持续供电。
47.本实施例中，boost电路和buck
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boost电路模块内使用的比较器、误差放大器、电压基准、锯齿波发生器可以为同一类型。整个系统绝大部分器件采用mos器件进行集成。
48.本实施例中，比较器，误差放大器，电压基准，锯齿波发生器具体电路中的vin+和vin
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之间并无连接关系，所表示的只是各自电路中的同向输入端+和反向输入端
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。
49.本实用新型一种用于复合微能量收集的soc集成电路装置适用于压电和光电两种能量收集方式，能量收集电路可以同时收集压电和光电两种能量，具有通用性，可以同时接入多个压电
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光电能量收集器，通过cmos全波整流电路模块接入，简化了能量收集电路，功耗低、体积小、功能强、效率高，对当今的可穿戴设备的续航时长会有着极大的提升。
50.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。