一种宽输入范围的压电能量获取系统

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1、学校代码10701学号1311122827分类号TN4密级公开西安电子科技大学硕士学位论文一种宽输入范围的压电能量获取系统作者姓名：涂炜领域：集成电路工程学位类别：工程硕士学校导师姓名、职称：刘帘曦副教授企业导师姓名、职称：刘洪涛高工学院：微电子学院提交日期：2015年12月TheDesignofaPiezoelectricEnergyHarvestingSystemwithWideInputRangeAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMas

2、terinIntegratedCircuitEngineeringByTuWeiSupervisor:LiuLianxiAssociateProfessorLiuHongtaoSeniorEngineerFebruary2015摘要摘要在超微振动能量获取中，压电传感器的输出电压范围为几十毫伏到几百毫伏，所以为了尽可能多的获取到环境中的振动能量，能量获取系统中应该具有一个功率提取电路保证压电传感器获取的外界能量尽可能多的传递到整流器中；同时整流器应该具有很低的输入电压阈值，宽的输入电压范围，以及高的转换效率；此外压电传感器的输出功率在几十微瓦到几百微瓦的范围内，这个数量级的能量

3、不足以使DCDC转换器正常工作，而且是随着振动源的变化而变化的，所以整流器电路后级应该加上一个能量管理电路，对整流器整流的能量进行处理之后再提供给DCDC转换器。基于以上考虑，本文提出了一种宽输入范围高转换效率的压电能量获取系统，包括高效率同步开关功率提取电路、有源电荷泵结构整流器和间歇式工作能量管理电路。整流器具有高转换效率和宽输入范围，能量管理电路采用间歇式工作。本文中的同步开关采用两个放电支路，从而简化了开关控制信号的产生电路。整流器采用了两级迪克森电荷泵的电路结构，以此得到较高的输出电压；采用基于非平衡偏置比较器的有源二极管代替无源二极管，以此降低整流路径上的电压降，

4、同时解决了基于传统比较器的有源二极管的失配和延时带来的反向漏电的问题；为了降低最小输入电压，采用了两个低功耗的共栅结构比较器。能量管理电路采用迟滞比较的结构将整流器整流的能量收集到一定程度之后再对后级DCDC进行供电，采用间歇式的工作方式，保证整个系统给后级DCDC的输入功率在一个比较稳定合适的值。本文首先介绍了压电传感器的基本模型，当前几种主流的整流电路原理，分析了本文采用的电荷泵整流器的工作状态，并且介绍了有源二极管的工作原理。然后提出了一个包括同步开关功率提取电路、电荷泵整流电路和间歇式工作能量管理的系统，并且对该电路的每个模块的设计进行重点分析。最后基于SMIC0.1

5、8μm标准CMOS工艺，使用Spectre软件对所设计的整流电路系统进行了仿真验证。仿真结果表明，本整流系统可以将频率范围为20Hz-3kHz，幅度范围为0.32V-1.5V的交流信号整流，输出电压范围稳定在1.2V-0.8V之间，输出电流最高可以达到5.5mA，并且转换效率不低于70%。输入信号幅度为0.8V，频率为200Hz，此时功率转换效率达到峰值81%。关键词：压电能量获取，同步开关功率提取，电荷泵整流器，非平衡偏置比较器，间歇式充放电功率管理IABSTRACTABSTRACTIntheapplicationofultra-microvibrationenergyha

6、rvesting,theoutputvoltageofpiezoelectrictransducerrangesfromtensofmillivolttohundredsofmillivolt.Inordertocaptureallkindsofvibrationenergyintheenvironmentasmuchaspossible,firstly,theenergyharvestingsystemshouldhaveapowerextractingcircuittomakesurethatmoreenergyharvestedbytransducercanbedeli

7、veredtotheinputterminalofrectifier;secondly,therectifiershouldhavethepropertiesoflowinputvoltagethreshold,wideinputrangeandhighconversionefficiency;finally,theoutputpowerofpiezoelectrictransducerrangesfromtensofmicrowatttohundredsofmicrowatt,theenergyvar