面向蓄電池的多輸入源低功耗充電電路設計

宋德偉

(四川省人民醫院后勤保障部,成都 610000)

面向蓄電池的多輸入源低功耗充電電路設計

宋德偉*

(四川省人民醫院后勤保障部,成都 610000)

針對蓄電池的儲能問題,提出了一種多輸入源且可擴充的高效充電電路和相應的控制算法。該充電電路主要由數字控制單元(DCU)、比較器、基于Dickson電荷泵結構的時鐘倍壓器(CVD)以及模擬開關組成,可以對多個獨立能量采集器(EH)進行電能收集。該系統支持通過熱插拔方式擴充任意數量的EH。提出的控制算法可以將從各個EH采集到的能量傳遞到能量儲存裝置而不會互相干擾。采用0.18 μm CMOS工藝對提出電路進行了具體實現。實驗結果顯示,相比類似的蓄電池充電系統,該充電電路的功耗最低,只需1.72 μW的功耗,能夠為3個輸入源提供高達96.1%的最大充電效率。

能量收集;多輸入源;控制算法;低功耗

隨著光伏太陽能、電動汽車、風力發電應用不斷發展,蓄電池充電技術也隨之成為了電子應用領域的研究熱點[1-3]。由于鉛酸蓄電池密封好、成本低、污染小的優勢,現今社會中,大多數可再生電力能源采集系統均使用蓄電池作為能量存儲裝置。

為了實現高效率的能量收集,需要使用適當的充電電路。文獻[8]提出利用雙向和單向DC/DC電路實現功率平衡,從而實現更加高效的蓄電池充電。文獻[9]提出利用雙向AC-DC來實現蓄電池儲能,并給出了供電控制算法。類似以上兩個文獻的方法,大多數研究都是針對從單個采集器并入能量儲存裝置的過程。針對從多個能量采集器收集能量的研究還是較少的。

因此,針對多輸入源的充電效率和功耗問題,提出了一種能源管理電路設計和控制算法。與具備動態整流[10]的功率方案相比,其選擇電壓最高的輸入支路進行連接負載,可在恒定范圍內調節輸出電壓,并且使用的比較器可進行無滯后操作。該裝置允許額外輸入以熱插拔的方式進行連接,并支持輕松擴大輸入數量。運用上述算法,便可使多個在不同功率范圍內的輸入端子實現較高的充電效率。實驗結果顯示,該充電裝置能夠為3個輸入源提供高達96.1%的最大充電效率。

1 提出的充電電路

圖1為本文提出的上述用于3個能量采集器(EH)的充電電路圖。該集成電路主要由數字控制單元(DCU)、比較器、基于Dickson電荷泵結構的時鐘倍壓器(CVD)[11]以及模擬開關組成。在電源電壓為1.2 V的情況下,使用3.3 V I/O電池可使能量輸送路徑的輸入/輸出電壓(I/O)達到3.3 V。以模塊化方式進行設計,使其輸入和輸出條件可輕松利用外部組件進行改變。

圖1 提出的蓄電池充電電路圖

電容器Ci通過各個EHi(i=1,2,3)產生的電流IHi進行充電。當電壓VCi保持高于1.2 V的水平時,充電電流IL流向1.2 V電池。當Ril和Ri2間的比率將Vci分開,并阻止比較器輸入電壓達到高于1.2 V的核心電壓水平時,比較器輸出將達到邏輯高電平狀態。

(1)

(2)

(3)

兩個電阻器阻值RTH1和RTH2間的比率決定了比較器閾值電壓VTH。能量收集電路的目的在于支持適配的VTH,而VTH適用于應用不同Ril和Ri2的各個輸入源,簡單的說就是同一個VTH可用于所有的輸入源。這就使能量收集電路輸入電壓差異產生的操作難度大大簡化,并使其達到最優化。如果需要,可以升降壓轉換器或充電泵中添加該能量收集電路輸出[6-9]。利用上述算法,DCU可以控制開關連接信號OUTi和比較器啟動信號ENi。OUTi在邏輯高電平狀態(LHS)中時,開關將電容器Ci和電池連接起來。該比較器設有一個20 μs的延遲,僅于ENi在LHS中時啟動。不使用該比較器時,ENi會轉換到邏輯低電平狀態(LLS)并切斷比較器的偏壓電流。因此,比較器在操作時無滯后,并且可降低功耗。CVD會增加OUTi的DCU輸出電壓并根據需要控制其開關。

2 充電控制算法

2.1 算法流程設計

圖2 展示了充電裝置操作過程的流程圖。當n個獨立的EH開始采集時,i進行初始化。如果VCi高于VTH,開關會在Δt期間將Ci連接到負載。而當Ci連接到負載時,VCi則會降低。如果VCi低于VTH,算法將會檢驗先前連接的電容器Ck(k≠i)是否存在。如果Ck存在,那么在附加Δt期間它將被持續連接到負載。因此,如果先前連接的能源具有足夠的能源供應量時,那么連續將能量傳送到負載時會花費更多時間。然而,如果Ck不存在,在附加Δt期間負載不會被連接到任何電容器。當i與n相等時,i進行初始化,上述過程將重復進行。因此,如果所有n個EH都可以為負載提供電能,該算法將以同等可能性安排所有EH連接,否則,它將適應性地選擇可能的EH連接負載。

圖2 充電算法流程圖

圖3 DCU電路圖

2.2 具體實現

圖3為n=3時的DCU電路圖。分頻器輸出的DCLK和2DCLK,由輸入時鐘CLK分別根據d和2d分頻產生。2DCLK作為時鐘脈沖用于6 bit計數器。6 bit計數器發出的QC0、QC2和QC4的第1、第3和第5個輸出信號為EN1、EN2和EN3比較器的啟動信號。以EH1為例,DEN1是DCLK周期的一半,這使EN1延時,從而為比較器1創造出穩定時間。如果信號DEN1在上升沿時IN1在LHS中,那么OUT1就成為LHS,開關1關閉。同時,AND-OUT1會將帶有異步復位的D觸發器2和帶有異步復位的D觸發器3重置,并且開關2和開關3會開啟。電流從C1流向負載,VC1將減小到DEN2的上升沿。反之,如果IN1在LLS中,并且開關2和開關3中先前關閉的開關存在,保持其原來的狀態。這些程序會重復進行,然后EN2和EN3上升沿將分別導致EH2和EH3。6位計數器輸出中的QC1、QC3和QC5不能阻擋DENi和OR-OUTj之間的信號碰撞,因為i≠j。雖然實現的能量收集電路僅能夠支持3個EHs的最大值,但上述架構很容易就可以被修改以便擴大輸入數量。將附加的EHn+i添加到能量收集電路時,計數器的輸出位數會從2n增加到2(n+1),AND-OUTn+1被添加到各個ORl的輸入中,而ORn+1的輸入由AND-OUTl構成(當l=1,2,…,n)。

(4)

(5)

(6)

圖4為DCU輸入輸出信號的功能模擬結果圖。從DENi上升沿到下個DENi上升沿的第1個周期中,只有INi在LHS中。因此,OUT1持續維護LHS,而EN1在那個時間間隙內連接到負載。在第2個周期中,IN2成為LHS,IN3仍在LLS中。因此,從DEN2上升沿到下個DEN1上升沿過程中,OUT2在LHS中。

從第3個周期開始,INi、IN2和IN3都在LHS中,因此OUTi、OUT2和OUT3的各個LHS便可以將時間間隙分為相等的3份。

圖4 DCU功能模擬結果圖

如果輸入數量擴大到n,Ci的充電時間τcap的檢驗周期就可確定為4d(n-1)×CLK周期,等同于(n-1)×Δt的時間周期,如圖2中的流程圖所示。如果能夠在系統中預估出IHi的值,那么當電壓從VL升高到VTH時,通過式(4)～式(6)可以得出τcap大約為:

(7)

如果CLK的頻率滿足:

(8)

根據式(7),可重新整理為:

(9)

VCi的電壓可維持在VL到VTH之間的穩定變動范圍內。因此,可通過上述VTH控制算法調節輸出電壓。

3 實驗結果

3.1 實驗設置

提出的充電電路通過TSMC 0.18 μm CMOS工藝制造,芯片面積約1 mm2,并制作了完整的充電裝置樣板,如圖5所示。外部的OV-7604-C7低壓時鐘振蕩器為DCU操作提供的時鐘脈沖頻率fop為32.768 kHz[12]。1.2 V的V15H-SU2P-G12鎳氫可充電電池可以充當負載。時鐘標度比d為2,Ci為0.22 μF,電池電壓VL約為1.2 V。

圖5 充電電路樣板

3.2 操作驗證

圖6 顯示了當VTH約為1.74 V時,VC1、VC2、VC3和VL的測量電壓波形。圖6(a)展示了電池僅通過一個EH1,使用能量收集電路充電時的波形圖。如果VC1低于VTH,開關1開啟,C1開始充電。電容器充電直到VC1高于VTH后,開關1關閉。然后電容器開始放電,在約0.73 ms的3Δt期間,充電電流從C1流向電池。同樣地,圖6(b)和圖6(c)分別顯示了電池通過不同的能源EH2和EH3充電時的波形圖。圖6(d)顯示了EH1、EH2和EH3同時為電池供能時的波形圖。

圖6 EH1、EH2和EH3輸入時,產生的VC1、VC2、VC3和VL的不同測量電壓波形

表1展現出電流和電壓平均值的測量結果,當多個EH同時供能時,Icomb是結合ECIC的電流總和IHi。如圖6(a)～圖6(c)所示,各個電容器和電池之間的連接數量為11、5和4。平均充電電流比值為31∶15∶11=11∶5.3∶3.9,近似于連接頻率比值11∶5∶4。顯然,連接頻率隨著充電電流的升高而直線上升,提供的電源電流越高,電容器充電速度就越快。參見圖6(d)和表1,充電電路不受輸入源數量的控制,能夠為各個電容器提供同樣的連接頻率和平均電壓。因此,該充電電路對于充電效率可通過IHi≈IL假設定義為:

(10)

實驗實現了η3的91%。隨著IHi電流的升高,開關電阻引起的電壓降落將導致IL下降。然而,上述系統無需改變架構,僅通過改變開關尺寸就能夠對更高的電流進行處理。可傳送到電池的電流直接依賴于電池內部的串聯電阻。實驗更多地集中于對傳送到電池的電流數量進行測量,以顯示其電流組合效率,而未對電池內串聯電阻產生的功耗進行分析。

表1 電壓和電流測量平均值

圖7是在先前試驗的同等VTH條件下對η3進行的描繪。為了獲取各個VTH的結果,將Ri2和Ri2的值分別固定為50和100 MQ,VTH是由外部基準電壓導致的。當VTH從1.32轉變為1.74 V時,η3值保持在91%與90%之間。然而,VTH不應高于VL以便通過路徑電阻將功耗最小化。

圖7 η3隨VTH變化的充電效率

圖8 當n=2和n=3,VTH分別為1.42 V和1.62 V時,Icomb的充電效率ηn

3.3 能量收集效率和功耗分析

圖8展現了ηn隨Icomb變化的曲線,當n=2和n=3時,各個n的VTH分別為1.42 V和1.62 V。所有IHi通過設定,可從各個EH接收到同樣的電流,并且為滿足式(9)限制了最大電流。經驗證,在Icomb約高于175 μA的情況下,將微小的輸入能量與高于η3的96.1%組合起來。同樣地,在Icomb約高于100 μA的情況下,η2同樣可獲取96.1%以上的能量。η2獲取96.1%以上的能量后,η3與η2相比大約略微下降了不到3%。

為了實現綜合能效,充電電路的功耗應當低到足以被忽視的程度。如表2所示,在1.2 V電源電壓下,當n為3,fop為32.768 kHz時,電路和外部時鐘脈沖源同時操作的功耗為1.46 μW。此外,電阻分壓器功耗為:

(11)

表2 充電電路樣板的運行功耗測量值

使用高位值電阻可使功耗最小化。例如,當Ri1為50 MΩ,Ri2為100 MΩ時,VCi的最大值為2 V,各分支的最大瞬時功耗約為0.03 μW。因此,如表2中最后一行所示,綜合功耗為提出電路和外部組件功耗的總和,在以上所示的例子中,綜合能效最多為1.72 μW。在Icomb高于約126 μA的情況下,能量收集電路的電流消耗與Icomb相比不到1%,然而η3卻實現了93%以上的能效,如圖8所示。表3充電電路性能對比。

表3 充電電路性能對比

4 結論

本文提出了一種高效的蓄電池充電電路,適用于多輸入源蓄電池充電系統。該電路通過控制算法,能夠支持任意數量的輸入EH。采用0.18 μm CMOS工藝對提出電路進行了具體實現。3個輸入源的實驗結果驗證了控制算法的有效性,并說明該充電電路在功耗為1.72 μW(包括外部組件,如電阻和時鐘發生器)的情況下能夠實現高達96.1%的最大充電效率。

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DesignofLowPowerConsumptionChargingCircuitwithMultipleInputSourcesforStorageBattery

SONGDewei*

(Sichuan Provincial People’s Hospital,Logistics Support Department,Chendu 610000,China)

According to the energy storage of the battery pack,a multi input source and an extended high efficiency charging circuit and the corresponding control algorithm are proposed. The charging circuit is mainly composed of a digital control unit(DCU)based on Dickson,comparator,charge pump clock doubler(CVD)and analog switch to multiple independent energy collector(EH)for power collection. The system supports the expansion of some number of EH by hot swap. The proposed control algorithm can transfer the energy from each EH to the energy storage device and not interfere with each other. The proposed circuit is realized by using 0.18 CMOS M technology. The experimental results show that,compared to similar battery charging system,the power consumption of the charging circuit is the lowest,only 1.72 μW power consumption,can provide up to three of the maximum charging efficiency for the 96.1% input sources.

energy harvesting;multi input source;control algorithm;low power consumption

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.037

2016-11-15修改日期2016-12-30

TM910.6

A

1005-9490(2017)06-1521-06

宋德偉(1977-),男,漢族,四川蘆山人,工程師,本科,主要研究方向為電力電氣技術、自動控制,daiwei_0078@163.com。