适用于能量采集系统的开关电容dc-dc变换器设计与研究

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1、学校代码10530学号201510171753分类号TN432;TM910密级公开硕士学位论文适用于能量采集系统的开关电容DC-DC变换器设计与研究学位申请人蔡兴龙指导教师马铭磷副教授学院名称信息工程学院学科专业电气工程研究方向电力电子与电力传动二〇一八年六月六日DesignandResearchofSwitchedCapacitorDC-DCConverterforEnergyHarvestingSystemCandidateCaiXinglongSupervisorAssociateProfes

2、sorMaMinglinCollegeTheCollegeofInformationEngineeringProgramPowerElectronicsandPowerTransmissionSpecializationElectricalEngineeringDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJun,6,2018摘要集成电路的微型化一直是芯片设计者永恒的话题。微型系统由于体积小，功耗低等特点被广泛应用于各种不同场合中。

3、当今世界，功耗是电池驱动的主要关注点，为了延长器件的寿命，提出了一种混合电源管理系统，使用环境中的能量，如太阳能作为能量的来源来提供给负载或者电池存储。虽然环境中能量取之不尽，用之不竭，但通常都是不稳定的，而且瞬时功率有限。因而为了有效利用环境中能量，必须建立有效的电源管理电路。本论文的主要工作是设计一种适用于能量收集的开关电容直流-直流（DC-DC）转换器，且转换器能够在输入信号较低时仍然有较高的功率转换效率（PCE，PowerConversionEfficiency）。本文主要研究工作如下：首先

4、，由于光伏阵列获取的能量通常会呈现出非线性、不稳定性，而传统的最大功率跟踪方法都是基于整数阶系统，无法有效解决非线性问题。因而为了跟踪最大功率点输出最大功率，研究了分数阶极值搜索最大功率点方法，有效地提高了系统的鲁棒性和整体的收敛性，减少了功率损失，提高了光伏阵列的转化效率。其次，环境中能量收集的不确定性、收集到的能量通常输出电压低且不够稳定，无法应用于电子电路。因此，DC-DC变换器变得格外重要。针对理想型电荷泵进行了分析，对设计策略进行了优化，分析了Dickson电荷泵和栅交叉耦合电荷泵的损耗，

5、提出了带有小电感的改进型Dickson电荷泵和高增益四相时钟栅交叉耦合电荷泵，通过数学分析和仿真验证其可行性。最后，鉴于在低压应用中，传统电荷泵电路的输出特性比较差，最终适用于能量收集的开关电容电路采用了高增益四相时钟交叉耦合电荷泵，通过四相时钟交错控制电路，改进了MOS管栅极的驱动策略，消除产生的反向电荷，减小了输出电压的波动，使得输出电压、功率转化效率、负载能力都得到进一步提高。整个电路设计采用TSMC0.18umCMOS工艺，电路不需要额外的相移电路且栅源和漏源之间不超过输入电压。关键词：能量

6、收集；光伏阵列；电荷泵；四相时钟；低压IAbstractMiniaturizationofintegratedcircuitsisaneternaltopicforchipdesigners.Microsystemsarewidelyusedinvariousapplicationsbecauseoftheiradvantagesofsmallsizeandlowpowerconsumption.Nowadays,powerconsumptionisthemainconcernofbatterydr

7、ives.Inordertoextendthelifeofthedevice,ahybridpowermanagementsystemisproposedwhichutilizesenvironmentalenergysuchassolarenergyasanenergysourcetoprovideloadorbatterystorage.Althoughtheenvironmentalenergyisinexhaustible,itisusuallyunstableandtheinstantan

8、eouspowerislimited.Forthepurposeofeffectivelyusingtheenvironmentalenergy,aneffectivepowermanagementcircuitmustbeestablished.ThemaintaskofthispaperistodesignaswitchedcapacitorDC-DCconverterwhichissuitableforenergyharvesting.Andtheconvert