南京邮电大学 通信与信息工程学院, 南京 210000
为了进一步提高系统的能量利用率, 设计了一种基于智能充电控制的光纤供能系统。系统采用充电控制装置对后级负载稳定供能并灵活调控储能模块的充电方式, 实现对远端富余的能量快速存储和合理利用, 并基于反馈信号实现对系统工作状态的实时调控。实验结果表明: 所提系统在不同场景下能够根据远端的负载及器件的工作状态自动调整本地激光源的输出功率, 从而保证供能系统的安全工作; 当光供能不足时, 所储存的能量可作为备用能源对传感器件或应用设备进行紧急供能。
光纤供能 光伏电池 电源管理 最大功率跟踪 充电控制 fiber optic power supply, photovoltaic cell, power
1 桂林电子科技大学 广西精密导航技术与应用重点实验室, 广西 桂林 541004
2 桂林电子科技大学 广西高校微电子器件与集成电路重点实验室, 广西 桂林 541004
针对传统TEG能量收集系统输入电压单一化与可用功率范围较窄的问题, 提出了一种适用于极性反转热电能量收集的升降压DC-DC转换器。采用双极性输入升降压拓扑结构, 能够自适应收集双极性输入热电能量, 并增加储能升降压回路, 有效拓宽了重载下可用功率范围, 保证输出电压稳定性, 并在轻负载时收集多余能量, 显著提高轻载转换效率, 保证系统续航能力。最大功率追踪方法采用结构简单、追踪效率较高的开路电压法。180 nm CMOS工艺仿真验证表明, 所提出的能量收集系统轻重负载条件下转换效率均高于85％, 最高转换效率为9326%(VTEG=500 mV, RS=210 Ω), 最大功率追踪效率达到9952％(VTEG=-600 mV), 电路最低工作输入电压为±25 mV, 且重负载下18 V输出电压纹波小于30 mV。
双极性输入 升降压 最大功率追踪 能量收集 bipolar input buck-boost maximum power tracking energy harvesting
1 哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150001
2 联合微电子中心有限责任公司, 重庆 401332
为了提高光伏电池的收集效率和环境适应性,提出了一种带有MPPT功能的高效率光伏电池升压转换器芯片。该电路系统包括新型四相高效电荷泵模块、扰动观察法MPPT控制电路模块、反馈控制模块、纳安级电流基准、检测电路模块等。该芯片采用0.35 μm BCD工艺设计、仿真并流片。芯片尺寸为3.15 mm×2.43 mm。测试结果表明,当光伏电池输出电压大于0.5 V时,升压转换器芯片输出电压提升到3Vin,电压转换效率可达99.4%。MPPT算法使输出功率提升8.53%。当输出负载电流为297 μA时,最宽输出PCE达到85.1%。该芯片实现了高效升压光伏电池输出电压的目标。
升压转换器 电荷泵 最大功率点追踪 光伏能量收集 boost converter charge pump MPPT PV energy harvesting
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院, 南京 210023
采用高压0.6 μm CMOS工艺,设计了一种可以同时对压电、光电进行高效收集的多源能量收集电源管理芯片。该收集芯片由光电接口电路、压电接口电路和DC-DC电路等单元构成。光电接口电路中采用全局最大功率追踪电路,减少了阴影对太阳能板收集光能的影响,提高了最大功率追踪效率。DC-DC电路中,采用导通时间可调、频率可调的控制模式,在更宽的输入功率范围内实现更高效率的同时保持输出端较小的电压纹波。仿真结果表明,该收集芯片的整体平均动态电流为7.6 μA,能量转换效率最高为91.2%。版图尺寸为9 623 μm×3 655 μm。
电源管理 能量收集 自适应导通时间 最大功率追踪 异步时钟信号控制 power management energy harvesting adaptive on-time maximum power tracking asynchronous clock signal control
1 宁波大学 信息科学与工程学院, 浙江 宁波 315211
2 西安电子科技大学 杭州研究院, 杭州 311231
设计了一种适用于环境振动能量俘获系统的高效率电源管理电路。电路采用了最大功率点跟踪(MPPT)技术,以解决环境振动能量不稳定和经换能器换能后的输出功率负载依赖性强的问题。针对MPPT工作过程中电压调整阶段功率损耗过大的问题,提出了高频开关控制的类Buck结构拓扑,以减小电压调整阶段的开关损耗,进一步提高了系统效率,并可实现预稳压,为后级电源管理电路减轻负担。电路采用0.18 μm CMOS工艺设计,仿真结果表明,随着振动环境及负载的变化,最大功率点跟踪效率始终维持在98.55%~99.45%,系统效率提高至94.2%。
高效率电源管理 能量俘获 最大功率点跟踪 high efficient power management energy harvesting MPPT
红外与激光工程
2022, 51(5): 20210522
南京邮电大学 电子与光学工程学院、 微电子学院， 南京 210003
采用标准018 μm CMOS工艺，设计了一种可以同时高效收集压电、光电、热电、射频能量的多源能量收集芯片。该收集芯片由多种能源接口电路、可重构电荷泵和自适应控制电路等单元构成。可重构电荷泵中，通过调节电压转换倍率和开关工作频率来降低电荷再分配损耗，提高了转换效率，扩大了输入电压范围。自适应控制电路中，采用固定导通时间法控制系统的输出电压，所产生的峰值电压被复用，并用来控制电荷泵的工作状态，降低了电路的复杂度和功耗。仿真结果表明，该收集芯片的整体动态功耗为33 μW，能量转换效率最高为603%。版图尺寸为1 672 μm×1 990 μm。
能量收集 多能源 自适应 电荷泵 最大功率追踪 energy harvesting multi-sources adaptive charge pump MPPT
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610000
2 苏州长光华芯光电技术股份有限公司, 江苏 苏州 215000
激光在空间进行实际传输的过程中存在不同障碍物遮蔽的情形, 这将影响激光无线能量系统的输出特性, 探究遮蔽度对光电转换效率所产生的影响则非常重要。通过6结等效二极管模型的理论模拟和实验研究了遮蔽度对6结激光能量转换芯片的性能影响。实验采用808 nm波长激光器作为光源, 针对五种功率下的4种遮蔽度情景, 对6结GaAs激光能量转换芯片的I-V曲线进行了实验测量, 得到了光电转换效率与遮蔽度的关系。实验结果表明, 光功率相同时, 随着遮蔽度增加, 6结激光能量转换芯片的短路电流、转换效率、开路电压减少。理论结果和实验结果一致。同时研究了存在遮蔽时, 通过优化电路给出一种有效获得更高功率的优化策略。理论上分析了优化后电路相对于串联电路可获得更高的最大功率点, 并且通过实验验证理论模拟的正确性。
6结激光能量转换芯片 遮蔽度 光电转换效率 优化电路 最大功率点 6-junction laser cells shade degree photoelectric conversion efficiency optimized circuit maximum power point
北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081
为了实现高效率激光无线能量传输系统的研究, 基于Simulink建立了激光无线能量传输系统的闭环控制仿真模型, 实现了激光光伏阵列的最大功率点追踪、降压电路搭建和锂电池智能充电控制, 并结合激光光伏阵列的输出特性和锂电池多阶段恒流充电方法的特性, 提出了一种基于激光功率密度闭环信号控制的新型锂电池多阶段恒流充电方法。结果表明, 该方法不仅可以实现传统锂电池多阶段恒流充电效果, 而且节省了62.9%的光能, 系统转换效率提高了62.96%。该结果对研究高效率激光无线能量传输系统是有帮助的。
激光技术 激光无线能量传输 最大功率点追踪 多阶段恒流充电 闭环控制 系统效率 laser technique laser wireless power transmission maximum power point tracking multi-stage constant current charging closed-loop control system efficiency
