光伏能量收割机与电源管理系统

文摘

我们目前的光伏能量收割机,意识到在0.35 -μCMOS技术。该系统从环境中收集光能,通过2毫米²芯片上集成microsolar细胞,并积累在外部电容器。电容器充电时,负载断开连接。当外部电容器中的能量足够的负载一个预定义的时间槽,连接的负载电容的电源管理电路。电容的值的选择决定了操作时间段负载。建议的解决方案适用于discrete-time-regime应用程序,如传感器网络节点,或者,在一般情况下,系统需要定期电源短的时段。电源管理电路包括一个电荷泵,一个比较器,电平位移器和线性稳压器。整个系统已经广泛的模拟,综合,实验的特点。

1。介绍

现代超低功率集成电路已经达到这样一个高水平的复杂性,对于许多应用程序传统电池不再是足够的,因为他们不能保证足够的生活时间1]。传感器节点或实验室芯片等,这些应用程序通常包括非常强调计算算法和无线通信系统。收获能源的环境,例如在光的形式,振动,或热梯度,这样的系统可以近乎无限的时间,无需更换电池。能量收获不仅允许提高设备的寿命和减少它的重量,但它也使全新的应用程序,否则不可行,考虑到寿命和大小的电池。尽管技术扩展,的确,电化学电池显示缓慢增长的能量密度和重量和体积(代表一个瓶颈2- - - - - -4]。

光可以被认为是在许多环境中最丰富的能源。光伏能源拾荒者可以达到转换效率从20%,在标准单晶硅平面技术,近50% (5,6),在复合材料平面晶片,考虑一个1000 W / m的照明²从太阳。此外光电现象(7在掺杂硅允许获取权力的最高金额对任何其他类型的矿车。此外,光伏电池在本质上与标准兼容的集成电路技术(8),从而使它们特别适合实现energy-autonomous微系统。

在本文中,我们提出一个光伏能量收获discrete-time-regime应用程序的供电系统,在0.35 -实现μCMOS技术。特别是在拟议的系统中,两个集成的微型太阳能电池作为能源和电源管理电路实现了处理收集到的能量。

提出了系统的框图如图1。第一个太阳能电池提供电源振荡器和八个平行Dickson电荷泵。为了简化示意图,我们报告只有一个电荷泵。存储电容器外部,从而允许我们选择电容值,根据每个应用程序所需的操作时间槽。的电压()是由比较器,后跟一个电平位移器监视。特别是,划分并与一个固定的参考电压,生成的第二个(辅助)太阳能电池。当完全充电时,电平位移器打开吗金属氧化物半导体开关,从而连接负载,电容器提供积累的能量。为了向负载提供稳定的电力供应,我们也意识到芯片上的一个线性稳压器(LDO)。LDO之间的连接和负载,因此,只有当负载连接提供。节2我们目前的光伏能源获取元素的特征,而在部分3我们描述振荡器和电荷泵用于提升太阳能电池电压到一个可用的价值。部分4和5分别讨论了电源管理系统和LDO。最后,在节6并给出了仿真和实验结果。

2。光伏能源获取元素

光伏能源收集元素,实现片上,是基于- - - - - -连接。图2显示了横截面的等效电路集成microsolar细胞(9),其面积是1毫米²。细胞是意识到-嗯封闭一个与特定几何扩散,实现(10,11),为了优化有效面积密度。这有助于提高photo-generated单位面积上的电流。在图2它还可以看到太阳能电池的等效电路。因为每个太阳能电池必须使用作为一个能源获取源集成微系统,实现在同一硅衬底上,不可能利用photo-generated越深结的力量,因为这将意味着直接偏压之间的连接-嗯,底物,导致一个负电压-嗯终端对底物。此外,不同的细胞不能被连接在系列中,因为它们共享相同的底物。图3显示了实现单元的功率曲线,获得与300 - w / m²照明。随着底物必须短路-嗯,细胞的效率是,不幸的是,减少寄生的底部的复合效应垂直的晶体管。

为了执行可靠的模拟整个系统,我们开发了microsolar电池的等效电模型,如图4,在那里μ一个,μ米²,μ米,kΩ,kΩ。

3所示。环形振荡器和电荷泵

环形振荡器和电荷泵在图所示5。他们代表的前端块电源管理电路。随着太阳能电池photo-generated电压不能超过500 mV,为了获得至少4 V在储能电容器,迪克森电荷泵已经实现。时钟电路需要两个不重叠的阶段,和,振幅等于microsolar电池产生的电压。电荷泵沿着二极管连锁经营通过移动收费,收费增加电压的电容器。电荷泵的设计获得的电压5 V,从mV,因此需要12个阶段。三个阶段环形振荡器提供时钟阶段电荷泵频率等于29.5 kHz,这对应于最佳充电所需的时间之间的权衡和电荷转移率。系统的性能是有限的电源电压,等于开路电压迫使所有的集成microsolar细胞,晶体管工作在阈下的地区。这个电路提供了一个非常低的电流流过每一个晶体管,引入一个效率损失的电荷转移,因此,充电时间。这效率的损失,然而,没有妥协的正确操作系统,而只是增加了充电时间。为了提供一个恒定电压3.3 V的负载很大电流对于一个确定的时间段,存储电容器是必要的。因此,该系统只适用于离散时间加载操作制度,如传感器网络节点(12]。

4所示。电源管理及监控电路

通过储能电容器的电压(迟滞比较器)是监控,验证充电状态。当电容器充电,因此,低于阈值电压,负载断开连接。当高于阈值电压负载连接(),直到电容器放电。迟滞比较器的示意图如图6。

磁滞需要实现崛起的阈值()不同阈值下降()。这条赛道的滞后值比率成正比几何图形之间的晶体管,,,。假设最初输入电压远低于参考电压。在这种情况下,所有的电流流过和(),而,,是(),因此,输出电压是很高的。晶体管也在,但没有电流流动()。最初,当增加,什么也不会发生,直到。在这一点上,一些当前开始流入和,而电流开始减少。在这种情况下,我们可以写 ,因此, 如果进一步增加,要求更多的电流,这只能来自。由于目前的减少,,在某种程度上不能再满足(2)。因此,打开,从而提供电流是要求。在这一点上,比较器的输出电压就低。最后的价值的(2代表了阈值电压)满意()。的价值控制参数:大时间越长(2)是满意,越高关于。对称,当比较器显示了相同的行为减少,导致阈值电压,这还取决于。

为了正确驱动开关连接和断开负载,电压电平位移器已经实现在比较器的输出。当通过储能电容器的电压()达到所需的值时,电平位移器打开,同时,在收费阶段(低于期望的值),必须,为了断开负载,避免能耗。电源管理系统的总能耗约500 pW,因此要求,原则上,一个小面积的辅助太阳能电池。电平位移器功耗可以忽略不计的稳定状态。

5。电压调整器

为了提供一个固定的3.3 v电源的实际负载,电压调整器已经实现。它由一个带隙电路和一个LDO电路。只有当提供的电压调节器是通过储能电容器的电压达到适当的值。图7显示电压调整器的示意图。电路的总电流消耗小于2μ一个。

隙电路提供电压(),在温度稳定,LDO的参考输入。它经营的负温度系数补偿- - - - - -结电压正温度系数的热电压。电路的输出电压,因此, 在哪里。使用的拓扑结构,是由 即使电源电压遵循储能电容器的放电曲线,保持不变。

LDO提供了一个稳定的3.3 V电源电压与输入电压3.3 V至4.8 V,允许实际负载正常运转。特别是,由输出电压 仿真结果表明,达到0.3%的最大误差在整个输入电压范围。为了降低功耗,和在MΩ范围。LDO的当前消费总量约为1μ一个。

6。仿真和实验结果

储能电容器是一个外部组件,因此,其价值的基础上可以选择实际的负载功率消耗。特别是,电荷转移率电荷泵的输出电压范围从3.8 V至4.3 V小于10 nA。电荷泵的效率很低,但这并不是特别重要,因为系统能够储存能量,并提供实际负载只有当它足够为一个确定的时间段允许适当的操作。图8显示了一个模拟储存电容电压在一个时间段的7 s,获得10 nF的电容值。

图9显示芯片的缩影照片。芯片面积。电源管理电路免受光了一层金属,为了避免不必要的目前的一代- - - - - -连接电路本身。因此,在图9我们也报道芯片的布局。

图10显示了测量电压存储电容器,收购了15秒的时间空档,获得不同的值(47 nF、nF 100和147 nF)。系统照明光源,提供约300 W / m²和负载10-MΩ电阻(1 -μW功率为3.3 V)。电压的最大值可通过改变迟滞比较器的门限电压的值。实现电压的上限是充电泵传输速率之间的平衡,外部电容器的漏电流,电阻中的电流流动提供了比较器的参考电压的字符串。测量结果表明,该系统实际上是比预期的更有效率。事实上,充电所需的时间在测量nF(图10)应该大约五倍的模拟nF(图8),而我们获得几乎相同的值的两种情况。实际上,在测量储能电容器上的电压降,当负载连接比模拟,由于比较器阈值电压的测量比仿真设置为不同的值。

图11显示测量的电流10-MΩ电阻负载超过30年代的时间段不同的值(47 nF、nF 100和147 nF)。不同的高峰值的曲线是由于测量设置采样频率。根据电容值,负载和可用的能源,因此,操作频宽比的变化。与nF,例如,系统提供的当前值nF,但长时间槽。

7所示。结论

在本文中,我们提出了一个集成光伏能量收割机,包括两个1毫米²microsolar电池和电源管理电路所组成的电荷泵,一个比较器,电平位移器和线性稳压器。系统积累的能量在一个外部电容器,并将它负载时通过电容器的电压足够高。电容的值的选择决定了操作时间槽的负载。建议的解决方案适用于discrete-time-regime应用程序。实验结果,获得系统的原型,实现0.35 -μm CMOS技术,展示一个完全集成光伏能量收割机的可行性。

确认

这项工作是支持的意大利的大学FIRB项目RBAP065425“模拟和混合模式为先进微电子系统”。作者希望感谢帕特里克Merhej microsolar细胞模型的发展。

引用

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