本文關(guān)鍵詞：壓電能量收集器的電源管理ASIC設(shè)計

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【摘要】：壓電能量收集的電源管理ASIC(Applied Specific Integrated Circuits)是提高微能源收集效率、能量的可持續(xù)利用的重要器件。為了盡可能高效地提高壓電能量收集器的輸出功率,設(shè)計具有阻抗匹配特性的超低功耗能量輸出接口電路尤其重要。本論文針對壓電振動能量收集器的輸出特性,重點研究壓電振動能量收集器與電源管理電路之間的阻抗匹配以及超低功耗的電壓調(diào)理技術(shù),設(shè)計超低功耗壓電能量收集的電源管理ASIC,為實現(xiàn)自供電的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點提供完整解決方案。論文首先分析了壓電振動能量收集器的電源管理ASIC電路的重要性和可行性,詳細闡述了現(xiàn)有壓電振動能量收集器電源管理技術(shù)ASIC電路的研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點;其次,論文針對實驗室研制的PZT(Lead Zirconate Titanate)五懸臂梁陣列壓電能量收集器,分析了其輸出特性,建立了等效的電學模型;并在此基礎(chǔ)上,綜合輸出功率、共振頻率、輸出電壓及最優(yōu)負載等方面因素,提出了適用于該壓電能量收集器的同步電荷提取電路(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)及其供電機制,建立了適用于該壓電能量收集器的能量管理機制,然后設(shè)計了超低功耗的電壓調(diào)理電路,其輸出電壓可為后續(xù)無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點進行供電。論文采用Cadence Spectre軟件基于無錫華潤上華公司(CSMC)0.18um CMOS工藝對本文所設(shè)計的壓電能量收集電源管理ASIC電路進行了性能仿真,確定了用于能量收集的同步電荷提取電路能量收集效能,即在10s內(nèi)對49uF儲能電容可從0V充電至5.2V,能量轉(zhuǎn)換效率為54.75%,5-10s內(nèi)所收集的能量為傳統(tǒng)全波整流電路對應時間所收集到能量的3.15倍。此外,本文所設(shè)計的電源管理電路靜態(tài)電流僅為3.25uA,電路能夠驅(qū)動50mA的大負載電流,在負載電流為3.17mA時,電路工作效率為95.2%。仿真結(jié)果驗證了本文所設(shè)計的電源管理ASIC電路具有較高的能量收集效率和較好的負載供電輸出能力。論文針對壓電能量收集器輸出特性,研究了超低功耗能量收集器輸出接口電路的設(shè)計方法,設(shè)計了電源管理專用集成電路,完成了整體電路的仿真。仿真結(jié)果表明,本論文所設(shè)計的壓電能量收集電源管理ASIC電路實現(xiàn)了高效率、低功耗的要求。該電路可應用于特殊環(huán)境下為無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點供電,為微型化單片集成的自供能系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：壓電能量收集 電源管理 同步電荷提取 超低功耗
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM619;TN402
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 緒論8-16
• 1.1 課題研究背景與意義8-10
• 1.2 壓電振動能量收集器的電源管理電路研究現(xiàn)狀10-13
• 1.3 論文研究目標以及研究內(nèi)容13-16
• 1.3.1 論文研究目標13
• 1.3.2 論文研究內(nèi)容13-16
• 2 壓電振動能量收集器的阻抗匹配電路設(shè)計16-38
• 2.1 引言16
• 2.2 壓電振動能量收集器的電學模型16-17
• 2.3 壓電振動能量收集器的輸出接口電路17-21
• 2.4 基于同步電荷提取機制的阻抗匹配電路設(shè)計21-36
• 2.4.1 基于同步電荷提取的阻抗匹配電路工作原理21-25
• 2.4.2 基準電路設(shè)計及仿真25-30
• 2.4.3 欠壓鎖定電路設(shè)計及仿真30-31
• 2.4.4 電壓跟隨器電路設(shè)計及仿真31-33
• 2.4.5 振蕩電路設(shè)計及仿真33-34
• 2.4.6 阻抗匹配電路整體仿真34-36
• 2.5 本章小結(jié)36-38
• 3 壓電振動能量收集器的超低功耗電壓調(diào)理電路設(shè)計38-56
• 3.1 引言38
• 3.2 自供能電壓調(diào)理電路工作機制38-40
• 3.3 電壓調(diào)理電路設(shè)計及仿真40-54
• 3.3.1 誤差放大電路設(shè)計及仿真40-49
• 3.3.2 電壓調(diào)理電路整體仿真49-54
• 3.4 本章小結(jié)54-56
• 4 壓電能量收集器的電源管理ASIC全局仿真與版圖設(shè)計56-70
• 4.1 引言56
• 4.2 壓電能量收集器的電源管理ASIC全局仿真56-60
• 4.3 版圖中特殊器件的設(shè)計及整體布局60-68
• 4.3.1 版圖中特殊器件的設(shè)計60-67
• 4.3.2 芯片的整體布局67-68
• 4.4 本章小結(jié)68-70
• 5 總結(jié)70-74
• 5.1 結(jié)論70-71
• 5.2 工作展望71-74
• 致謝74-76
• 參考文獻76-80
• 附錄80
• A 作者在攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文目錄80
• B 作者在攻讀碩士學位期間發(fā)表的專利80

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