一种用于压电能量收集器的整流电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微能量收集技术领域，具体涉及一种用于压电能量收集器的整流电 路。
【背景技术】
[0002] 目前，无线传感器节点的传统电池供电方式存在存储能量有限、寿命短，定期更换 电池会使成本大幅增加，有的场合甚至不可能实现更换等缺陷。而自然环境中充满了大量 的环境能量，如太阳能、热能、风能、电磁能以及振动能等，因此基于环境能量收集技术，利 用换能器将不同的环境能量转换成电能，再经过电源管理专用电路进行高效的管理与调 节，从而构成一种新型的免维护、长寿命的自供电电源，满足无线传感器节点对电源高效、 环保、独立、持久的需求。由于振动能是一种广泛存在的能量形式，特别是广泛存在于汽车、 飞机、桥梁等大型机械、建筑结构中，因此通过压电能量换能器收集振动能具有普遍意义和 广泛的应用前景。
[0003] 与传统宏结构尺寸的能量收集器相比，MEMS压电能量收集器具有体积小、重量轻、 功率密度大、便于集成等诸多优点。但是，由于受尺寸体积的限制，MEMS压电能量收集器总 的输出功率较低，一般为uW级，输出阻抗高，输出电流小仅有yA级，不能直接为后续无线 传感器节点等负载供电。
[0004] aAnInput-PoweredActiveAC/DCConverterwithZeroStandbyPower forEnergyHarvestingApplication(-种适用于能量收集零待机功耗的自供电有 源AC/DC整流电路）"，YuanRa。，DavidP.Arnold,EnergyConversionCongressand Exposition(ECCE)，2010IEEE，第4441~4446页记载了一种适用于压电能量收集的AC/DC 整流电路，它将全波整流电路直接与有源二极管电路（ActiveDiode)相连接。全波整流电 路将能量收集器获得的交流电转化为直流电，以便存储电能；有源二极管电路由一个比较 器和一个PM0S管组成，其作用是控制电流的流向，避免电流从输出端倒灌至输入端。
[0005] 该电路存在的问题是：有源二极管电路中的偏置电压（偏置电压是指比较器中用 于产生偏置电流的NM0S管的栅端电压）由全波整流后的电压直接提供，在全波整流桥输出 电压在2. 5V以下时，有源二极管电路能耗较小。然而在较多情况下，MEMS压电能量收集器 经全波整流后的电压能够达到2. 5V-5V，在偏置电压高于2. 5V的情况下，有源二极管电路 将消耗较大的能量，降低了压电能量收集器的效率。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于压电能 量收集器的整流电路，它在压电能量收集器整流电压大于2. 5V的情况下，能减小电路的功 耗，提高能量收集器的效率。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明包括全波整流桥和有源二极管电路，还包括偏置 电路，全波整流桥的输出端分别连接有源二极管电路和偏置电路的输入端，偏置电路的输 出端连接有源二极管电路中比较器的偏置电压端，有源二极管电路的输出端接有储能电容C3〇
[0008] 由于有源二极管电路中比较器的偏置电压依靠偏置电路提供，偏置电路的输出电 压设置为〇. 7V以下，该偏置电压值能够使有源二极管电路中的NM0S场效应管工作在亚阈 值区，从而有效降低功耗，且偏置电路本身功耗也很低，所以本发明的电路功耗较小，提高 了能量收集器的效率。
[0009] 本发明的优点是：功耗较小，能量转换效率高，能保证无线网络传感节点负载的能 量需求。
【附图说明】
[0010] 本发明的【附图说明】如下：
[0011] 图1为本发明的原理框图；
[0012] 图2为本发明的原理电路图。
[0013] 图中：1.压电能量收集器；2.全波整流桥；3.偏置电路；4.有源二极管电路。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0015] 如图1和图2所示，本发明包括全波整流桥2和有源二极管电路4,还包括偏置电 路3,全波整流桥2的输出端分别连接有源二极管电路4和偏置电路3的输入端，偏置电路 3的输出端连接有源二极管电路4中比较器的偏置电压端，有源二极管电路4的输出端接有 储能电容C3。
[0016] 本发明工作的原理是：压电能量收集器1产生的电能输送至全波整流桥2,整流后 将电能输送至低能量存储单元C1，低能量存储单元C1为偏置电路3提供电源，偏置电路3 为有源二极管电路4的电压比较器提供稳定的偏置电压，此时，整流后的电能由有源二极 管电路4输送至高能量存储单元C3。存储单元C3的电压在2. 5V~5V范围内。
[0017] 如图2所示，在偏置电路3中，电容C1作为低电量存储单元，为偏置电路3提供电 压。二极管Dl、D2、D3作为降压管为C1降低存储电压，三个二极管可以使电压降低2V(三 个二极管连接点处可引出四个引脚，根据实际应用中所对应能量收集电压值，悬空或连接 不同引脚，自主性选择连入电路的二极管数量为〇、1、2或3,保证偏置电路正常工作），减小 了偏置电路的工作电压，从而保证偏置电路3较低功耗，同时也降低了偏置电路3的输出电 压，降低至0. 7V以下。该偏置电路3包含8个M0S管，M2、M5、M8为PM0S组成电流镜，M1、 M4为PM0S通过向漏端注入电流构成启动电路，M2、M6、M7和M8组成负反馈回路，M5、M7和 M8构成正反馈回路，但M2、M5、M6、M7与M8构成的合反馈回路为负反馈，以保持电路输出电 压的稳定。
[0018] 若M2、M5漏电流产生电流增量AIMjPAIM5,M2、M5和M8构成电流镜，则有
[0019] IM2=GIM5 (1)
[0020] AIM2=GAIM5 (2)
[0021] 式中G为M6和M8的宽长比
[0022]
〇)
[0023] 式中W、L分别为对应M0S管的宽度和长度。
[0024] M2漏电流的小信号增量具有如下关系
[0025] AIM6=AIM2 ?R?gnM6 ⑷
[0026] 式中为M6管的跨导，R为M2漏端与地之间等效电阻，并且有
[0029] (5)式中，VTH为M6管的阈值电压，VDSatM6是M6管的漏源饱和电压。
[0030] 将式（5)和（6)代入（4)中可得
[0031]
[0032] 同样地，M7与M8也符合式（7)的关系，即AIM7>AIMS。
[0033] 式（7)表明，M6的漏电压和M7的栅电压将会减小，从而M2、M5、M7和M8的漏电流 将会减小，因此M2、M5、M6、M7和M8构成的合反馈回路为负反馈。
[0034] 为保证偏置电路3能够将输出电压控制在0. 7V以下，电路中的M3使用二极管方 式连入电路，与R1 -起产生较大的MQ级电阻，使得M2管的漏电流维持在nA级。通过M2 电流镜镜像作用，使得整个电路能够工作在亚阈值状态，从而保证了偏置电路3的输出电 压在0. 7V以下。图中，M6管漏端电压即为本发明中所需要的偏置电压。
[0035] 偏置电路是指向有源二极管电路4提供0. 7V以下偏置电压的电路，除上述的偏置 电路 3 以外，偏置电路还有：如 2003 年 1 月，IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS第 38 卷第 1 期 15卜154 页上记载了G.Giustolisi，G.Palumbo等人的"ALow-VoltageLow-Power VoltageReferenceBasedonSubthresholdMOSFETs(基于亚阈值M0S场效应管低电压 低功耗电压基准）"；2009 年 10 月，IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS第 44 卷第 10 期 465-474 页上记载了IppeiAkita,KazuyukiWada等人的"A0.6-VDynamicBias FilterWith89_dBDynamicRangein0.18-umCMOS(基于 0.18umCM0S工艺 89dB动态 范围内 0? 6V动态偏置滤波器）" ；2011 年 2 月，IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS 第 46 卷第 2 期 465-474 页上记载了LucaMagnelli，FeliceCrupi等人的"A2.6nW0.45V Temperature-CompensatedSubthresholdCMOSVoltageReference(2. 6nW0.45V温度补 偿亚阈值CMOS电压基准）"。
[0036] 如图2所示，有源二极管电路4由一个比较器和一个PM0S开关管M21构成。有源 二极管电路4的作用是控制电流的流向，避免电流从输出端倒灌至输入端。有源二极管电 路4的比较器由其全波整流桥输出电压经过二极管D4降压后提供供电电压，以此进一步降 低比较器功耗；同时比较器中NM0S管M13、M14的偏置电压由偏置电路3提供，该偏置电压 使M13和M14两个NM0S管工作在亚阈值区，在保证比较器具有比较功能的同时极大降低比 较器的功耗，从而能够极大地提高了能量传输的效率。二极管D5被用于降低比较器第二级 电路的供电电压使其与第一级供电电压相匹配，不影响比较器的比较性能，并且能够起到 减小功耗的作用。
[0037] 有源二极管电路4中，M9、M10为差分对管、Mil、M12为锁存结构放大差分对管的 输入信号。M16作为第二级共源放大管，M15用作降低比较器的输入失调。M17、M18和M19、 M20构成两组反相器，调整输出的波形，输出方波信号控制开关管M21通断。
[0038] 本发明的技术效果：
[0039] 应用EDA电路仿真技术，使用Cadence仿真软件对电路原理图进行验证。在全波 整流2输出电压分别为2. 5V、3V、4V和5V的情况下，分别仿真【背景技术】所述电路和本发明 的电路，并计算电路所对应的功耗，仿真结果如表1所示。
[0040]表1 [0041 ]
[0042]由表1可见，本发明的电路在大于2. 5V的高电压条件下，突破了【背景技术】所述电 路的局限，使得整流电路整体功耗仍然在uW级，其极低的功耗在压电能量收集器应用中显 著地提高了能量转换效率。
【主权项】
1.一种用于压电能量收集器的整流电路，包括全波整流桥（2)和有源二极管电路（4)， 其特征是：还包括偏置电路（3)，全波整流桥（2)的输出端分别连接有源二极管电路（4)和 偏置电路（3)的输入端，偏置电路（3)的输出端连接有源二极管电路（4)中比较器的偏置电 压端，有源二极管电路（4)的输出端接有储能电容C3。
【专利摘要】本发明公开了一种用于压电能量收集器的整流电路，解决现有电路在压电能量收集器整流电压大于2.5V的情况下，电路的能耗较大、压电能量收集器效率低的问题，本发明包括全波整流桥（2）和有源二极管电路（4），还包括偏置电路（3），全波整流桥（2）的输出端分别连接有源二极管电路（4）和偏置电路（3）的输入端，偏置电路（3）的输出端连接有源二极管电路（4）中比较器的偏置电压端，有源二极管电路（4）的输出端接有储能电容C3。本发明的优点是：功耗较小，能量转换效率高，能保证无线网络传感节点负载的能量需求。
【IPC分类】H02M7/217
【公开号】CN105006983
【申请号】CN201510470357
【发明人】余华, 吴汉, 卢山, 易小周
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年8月4日