适用于能量获取系统的有源整流电路研究

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近年来,物联网(Internet of Things,IoT)作为新一代信息技术的重要组成部分正进入快速发展阶段,而5G技术的日渐成熟更加速了万物互联时代的到来。基于大量具有通信功能的无线传感器节点的无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)对IoT的发展和应用起着至关重要的作用。一旦WSN节点能量耗尽,会对WSN乃至IoT的运行造成严重的影响。因此俘获环境能量作为WSN节点的电池补充或替代成为有效的应对方案。其中,由于压电振动能量具有能量密度相对较高,分布广泛,易俘获等优点受到学术界和工业界的青睐。针对压电元件输出电压的交流特性、负载依赖性及俘获系统整体效率相对低下等问题,本文设计了一种自适应并联电感同步开关控制(parallel synchronized switching harvesting on inductor,P-SSHI)的有源整流电路。该电路基于超低压降有源整流架构,并加入了自适应P-SSHI技术,以实现能量俘获的高效率。其中,超低压降有源整流电路的上半桥采用交叉耦合的PMOS对管结构;下半桥则采用有源二极管(由比较器控制的NMOS管)结构,有效降低了整流管的导通压降。同时,有源整流电路中的比较器作为整流电路的零电流检测,为自适应P-SSHI结构提供同步开关闭合的判断信号。而同步开关断开的判断信号来自L-C振荡回路中的零电流检测电路,以实现同步开关控制的自适应性,更好地跟随L-C谐振结束时间,减小时间误差,提高电能提取效率。本文在理论分析的基础上,对此电路进行了仿真和实验。实验结果显示,所提电路实现了同步开关的自适应控制,并能有效提高电能的提取效率。在相同条件下,负载电阻为100ΚΩ时,电路的输出功率是全桥整流电路的232%。为进一步提高电路性能,本文对自适应同步开关控制方法进一步优化,实现了自适应P-SSHI同步开关的自关断。自关断同步开关采用4个PMOS管,因其独特的连接结构,无需任何检测电路和控制电路,在L-C谐振结束时同步开关可自行关断。仿真结果显示,自关断同步开关控制电路在负载电阻为100ΚΩ的情况下,与原自适应P-SSHI有源整流电路相比,可将输出功率增加至113%,是全桥整流电路输出功率的240%。
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