面向无线传感器网络节点的能量收集电源管理芯片的研究与设计

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1、工程硕士学位论文面向无线传感器网络节点的能量收集电源管理芯片的研究与设计作者姓名杨建新学科专业集成电路工程校内指导教师李斌教授校外指导教师郑曰高级工程师所在学院电子与信息学院论文提交日期2018年4月StudyandDesignofEnergyHarvestingPowerManagementChipforWirelessSensorNetworksNodesADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YangJianxinSupervisor：Prof.LiBinSeniorEngineer：ZhengYueSouth

2、ChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China摘要随着物联网的发展以及可穿戴设备的普遍使用，无线传感器网络节点（WSNs）上的传感器以及植入式或可穿戴电子设备对能量的供应提出了非常迫切的需求，因此，微弱能量收集与存储作为一种减少或消除对电池依赖的方法引起了研究人员的极大关注。其中高效提取和管理从光源、热源或机械能源采集的微瓦(µW)至毫瓦(mW)级电源的新一代电源管理集成电路显得日益重要。本文针对面向无线传感器网络节点的能源需求，对光伏能量收集电源管理芯片进行了研究与设计，主要工作如下：(1)提出了系统的连续控制模式，通过Matlab理论仿真

3、验证及电路设计，实现了能够稳定工作在MPPT(MaximumPowerPointTracking)并快速响应宽范围负载瞬态变化的控制模式，最大负载响应为300mA。(2)引入改进型Gm-Boosting运放和提出的镜像电流源抑制输出级的结构，实现快速响应的新型全波电流采样电路。整个采样电路在电感电流从100mA~2.1A范围内，采样精度高于93%，响应时间小于8ns。(3)采用高灵敏度低功耗的DCM（DiscontinuousConductionMode）检测方式，通过引入时钟采样比较器，可以快速响应DCM检测，避免了传统DCM检测功耗高、延时长、灵敏度低的缺点。结合上述提出的设

4、计特点，实现了面向无线传感器网络节点的能量收集电源管理芯片的设计方案。基于0.18µmHV（HighVoltage）CMOS工艺，仿真结果表明所设计的电源管理芯片系统能够完成MPPT跟踪，自动升降压，根据负载与输入源之间的变化情况稳定工作在COT(ContantOnTime)、DCM或CCM（ContinuousConductionMode）模式下，转换效率在输入34mW时达到89%；能够快速地响应负载变化，响应时间低于35µs；能够实现宽范围能量输入，输入电压为0.5~5.5V，输出电压为1V~5V，带载能力可达300mA。关键词：无线传感器网络节点；能量收集；连续控制；电流采

5、样；DCM检测I华南理工大学工程硕士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentoftheInternetofThingsandthewidespreadusageofwearabledevices,sensorsofwirelesssensornetworknodes(WSNs),aswellastheimplantableandwearableelectronicdevicespresentaveryurgentneedforenergysupply.Therefore,harvestingandstoretechniquesofweakenergy

6、hasattractedtheattentionofresearcherssincetheycanbeutilizedtoreduceoreliminatethedependenceonbatteries.Amongthem,anewgenerationofpowermanagementICs,rangingfrommicrowatts(µW)tomilliwatt(mW),thatcanefficientlyextractandmanagepowersourcesfromlight,heatormechanicalenergysources,ismanifestedtobesi

7、gnificant.Thisthesisfocusesontheenergydemandforwirelesssensornetworknodes,tostudyanddesignlightenergyharvestingpowermanagementchips.Themainworkislistedasfollows:(1)Thecontinuouscontrolmodeofthesystemisproposed.Acontrolmode,whichiscapableofsta