CN120301155A - 一种多能量采集与多输出管理转换器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种多能量采集与多输出管理转换器，涉及集成电路领域。多能量采集与多输出管理转换器的能量采集控制电路，由多个电路构成。输入端最大功率追踪电路，用于采集输入电压与储能电容电压，生成第一控制信号。输出端能量需求监测电路，用于采集负载电压，得到第二控制信号。模式选择电路，用于根据第一控制信号和第二控制信号生成使能信号。自调节导通时间电路，用于根据能量输入电压和使能信号产生第三控制信号，以控制导通时间。自适应零电流检测电路，用于基于能量输入电压和使能信号，获取零电流转换时间的第四控制信号。栅极控制与驱动电路，用于根据第三、四控制信号后输出第五控制信号，该转换器可以提升能量采集与转换效率。

Description

一种多能量采集与多输出管理转换器

技术领域

本申请涉及集成电路领域，尤其涉及一种多能量采集与多输出管理转换器。

背景技术

随着物联网(Internet of Things，IoT)产业的发展，无线传感网络大规模部署成为趋势，传感节点的应用与日俱增。随之而来的能量供应成为限制其进一步发展的障碍，采用传统的电池供电模式，其电池更换增加了无线传感网络部署的成本，限制其部署的扩张。而泛在环境中存在多种可利用的能量，如光能、热能以及动能，采集这些泛在的能量，存储并为传感节点供电成为一种趋势。

而传统的能量采集电路，分为单源能量采集与多源能量采集，单源能量采集，由于其能量来源的单一性，其作为供能器件，使得能量采集的稳定性受到一定限制。而多源采集电路，又存在直流能量混合采集、直流加交流能量混合采集等，直流能量如光能、热电能等，是泛在能量采集的重要来源。而交流能量采集如压电能，电磁能等，是作为混合能量采集的有效补充。直流加交流混合能量采集的架构，在传统上采用整流后采集的两级式架构，先将交流能量整流成直流输入，再作为直流能量源的一种进行采集。这种级联方式导致了转换效率的降低。

发明内容

本公开实施例的主要目的在于提出一种多能量采集与多输出管理转换器，能够提高能量采集效率，降低不同能量之间转换的损耗。

为实现上述目的，本申请实施例的一方面提出了一种多能量采集与多输出管理转换器，包括能量采集控制电路，所述能量采集控制电路包括输入端最大功率追踪电路、输出端能量需求监测电路、模式选择电路、自调节导通时间电路、自适应零电流检测电路和栅极控制与驱动电路；

所述输入端最大功率追踪电路，用于采集多个能量输入电压和储能电容电压，得到第一控制信号；

所述输出端能量需求监测电路，用于采集多路需求的输出负载电压和所述储能电容电压，得到第二控制信号；

所述模式选择电路，分别连接所述输入端最大功率追踪电路和所述输出端能量需求监测电路，用于根据所述第一控制信号和所述第二控制信号，得到不同模式的使能信号；

所述自调节导通时间电路，连接所述模式选择电路，用于根据所述能量输入电压和所述使能信号，得到导通时间的第三控制信号；

所述自适应零电流检测电路，连接所述模式选择电路，用于根据所述能量输入电压和所述使能信号，得到零电流转换时间的第四控制信号；

所述栅极控制与驱动电路，连接所述自调节导通时间电路和所述自适应零电流检测电路，用于根据所述第三控制信号和所述第四控制信号，得到第五控制信号，所述第五控制信号用于控制所述多能量采集与多输出管理转换器的能量采集和输出。

在一些实施例中，所述多能量采集与多输出管理转换器还包括自启动电路，所述自启动电路连接所述能量采集控制电路，所述自启动电路用于通过所述能量输入电压和所述输出负载电压，对所述多能量采集与多输出管理转换器进行启动。

在一些实施例中，所述多能量采集与多输出管理转换器还包括基准功能电路，所述基准功能电路连接所述能量采集控制电路，所述基准功能电路包括系统时钟产生电路，所述系统时钟产生电路用于产生所述能量采集控制电路运行的时钟信号。

在一些实施例中，所述基准功能电路还包括参考源产生电路，所述参考源产生电路用于根据所述输出负载电压，产生参考电压和多个所述输出负载电压的分压电压。

在一些实施例中，所述输出端能量需求监测电路包括多个动态比较器，所述第二控制信号包括多路的需求控制信号，所述动态比较器用于根据所述参考源产生电路产生的参考电压和所述参考源产生电路产生的分压电压，产生相应的所述需求控制信号。

在一些实施例中，所述输入端最大功率追踪电路包括部分开环最大功率点追踪分压电路、动态比较器和压电电压峰值检测电路，所述第一控制信号包括直流能量的最大功率点追踪控制信号、储能电容的能量供给控制信号和压电能的峰值控制信号；

所述部分开环最大功率点追踪分压电路，用于根据直流能量的所述能量输入电压，得到直流能量的采样电压；

所述动态比较器包括第一动态比较器和第二动态比较器；

所述第一动态比较器，用于根据直流能量的所述能量输入电压和所述采样电压，得到所述最大功率点追踪控制信号；

所述第二动态比较器，用于根据储能电容电压和所述参考源产生电路输出的参考电压，得到储能电容的所述能量供给控制信号；

所述压电电压峰值检测电路包括电阻电容延时电路和动态比较器，所述电阻电容延时电路用于确定压电能的所述能量输入电压的延时信号，所述动态比较器用于根据压电能的所述能量输入电压和所述延时信号，输出压电能的所述峰值控制信号。

在一些实施例中，所述模式选择电路包括状态选择模块和使能控制信号输出模块；

所述状态选择模块，用于根据所述第一控制信号和所述第二控制信号，输出模式判断信号；

所述使能控制信号输出模块，用于根据所述模式判断信号，输出所述使能信号。

在一些实施例中，所述自调节导通时间电路包括延时控制字产生电路，可调电阻电容的延时单元和延时控制逻辑电路；

所述延时控制字产生电路包括分压电路和动态比较器，所述分压电路用于对所述能量输入电压进行分压，得到分压电压，动态比较器用于根据所述分压电压和所述参考源产生电路产生的参考电压，得到延时控制字信号；

所述可调电阻电容的延时单元，用于根据所述延时控制字信号，调节电阻的阻值和电容的电容值，得到复位信号；

所述延时控制逻辑电路，用于根据所述使能信号和所述复位信号，输出所述第三控制信号。

在一些实施例中，所述自适应零电流检测电路包括连续时间比较器和数字逻辑电路；

所述连续时间比较器，用于根据所述能量输入电压的变化，产生零电流转换的时间节点变化信号；

所述数字逻辑电路，用于根据所述时间节点变化信号和所述使能信号，得到零电流转换时间的第四控制信号。

在一些实施例中，所述栅极控制与驱动电路包括栅极控制逻辑电路和功率管驱动电路；

所述栅极控制逻辑电路，用于根据所述第三控制信号和所述第四控制信号，得到所述功率管驱动电路中每个功率器件的栅极驱动控制信号；

所述功率管驱动电路，用于对所述栅极驱动控制信号进行增强，得到所述第五控制信号。

本发明上述的技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

通过追踪输入端能量情况与输出端负载需求，自适应选择工作模式，实现了单周期多能量混合采集，提高了能量采集的充分性，通过单级式架构，避免了交流至直流能量转换的损耗，提高了交流能量采集效率，并且同时为多路负载提供能量，提高了端到端的传输效率。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种多能量采集与多输出管理转换器的总体框架示意图；

图2是本申请实施例提供的能量采集与输出电路结构示意图；

图3是本申请实施例提供的自启动电路结构示意图；

图4是本申请实施例提供的参考源产生电路结构示意图；

图5是本申请实施例提供的系统时钟产生电路结构示意图；

图6是本申请实施例提供的输出端能量需求电路结构示意图；

图7是本申请实施例提供的输入端最大功率追踪电路结构示意图；

图8是本申请实施例提供的模式选择电路结构示意图；

图9是本申请实施例提供的自调节导通时间电路结构示意图；

图10是本申请实施例提供的自适应零电流检测电路结构示意图；

图11是本申请实施例提供的栅极控制与驱动电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

如图1所示，对图1中的符号进行以下说明：

TEG_RD、PV_RD、PZT_RD、STO_RD分别表示热能、光能、压电能和储能电容可采集进行供能的信号。

OUTPUT_REQ_<3:1>分别表示第一路至第三路负载需要供能的信号。

STO_REQ表示储能电容需要供能的信号。

EN_PV表示只采集光能的使能信号；EN_TEG表示只采集热能的使能信号；EN_PZT表示采集压电能的使能信号、EN_STO表示对储能电容供能的使能信号、EN_BK表示利用储能电容供能的使能信号、EN_OUT_<3:1>分别对第一路至第三路供能的使能信号。

ON_PV、ON_TEG、ON_STO、ON_PZT分别表示光能、热能、储能电容、压电能的开关导通控制信号。

OFF_PV、OFF_TEG、OFF_STO、OFF_PZT分别表示光能、热能、储能电容、压电能的零电流关断控制信号。

S_TEG、S_PV、S_L、S_CAP<2:1>、S_FW、S_TEG、S_OUT<3；1>分别表示能量采集与输出电路的功率管的栅极控制信号。

请参照图1，多能量采集与多输出管理转换器包括能量采集控制电路、自启动电路和基准功能电路，自启动电路连接能量采集控制电路，基准功能电路连接能量采集控制电路。

能量采集控制电路包括输入端最大功率追踪电路、输出端能量需求监测电路、模式选择电路、自调节导通时间电路、自适应零电流检测电路和栅极控制与驱动电路。模式选择电路，分别连接输入端最大功率追踪电路和输出端能量需求监测电路，自调节导通时间电路连接模式选择电路，自适应零电流检测电路连接模式选择电路，栅极控制与驱动电路连接自调节导通时间电路和自适应零电流检测电路。

请参照图2，输入端最大功率追踪电路用于采集能量采集与输出电路中的多个能量输入电压(V_TEG、V_PV、V_PZT+、V_PZT-)和储能电容电压(V_STO)，得到第一控制信号(TEG_RD、PV_RD、PZT_RD、STO_RD)。

输出端能量需求监测电路用于采集能量采集与输出电路中的多路需求的输出负载电压(V_OUT1、V_OUT2、V_OUT3)和储能电容电压(V_STO)，得到第二控制信号(OUTPUT_REQ_<3:1>、STO_REQ)。

模式选择电路用于根据第一控制信号和第二控制信号，得到不同模式的使能信号(EN_PV、EN_TEG、EN_PZT、EN_STO、EN_BK、EN_OUT_<3:1>)。

自调节导通时间电路用于根据能量输入电压和使能信号，得到导通时间的第三控制信号(ON_PV、ON_TEG、ON_STO、ON_PZT)。

自适应零电流检测电路用于根据能量输入电压和使能信号，得到零电流转换时间的第四控制信号(OFF_PV、OFF_TEG、OFF_STO、OFF_PZT)。

栅极控制与驱动电路用于根据第三控制信号和第四控制信号，得到第五控制信号(S_TEG、S_PV、S_L、S_CAP<2:1>、S_FW、S_TEG、S_OUT<3；1>)。

如图1所示和图2所示，图1中能量采集控制电路的栅极控制与驱动电路的各个输出端分别连接至图2中能量采集与输出电路的功率管的栅极上。

如图2所示，第五控制信号作为功率管栅极的控制信号，控制相应的功率管运行，进而可以控制多能量采集与多输出管理转换器的能量采集和输出。

在一些实施例中，如图1所示，多能量采集与多输出管理转换器还包括自启动电路，自启动电路连接能量采集控制电路，自启动电路用于通过能量输入电压和输出负载电压，对多能量采集与多输出管理转换器进行启动。自启动电路用于采集能量采集与输出电路中的光能的能量输入电压和两路的输出负载电压，输出多个能量采集与输出电路中的功率管的栅极的控制信号和能量采集控制电路的启动信号。

自启动电路包括自启动控制电路和串联-并联式开关电容自启动电路。自启动控制电路，通过光电输入电压，产生一个振荡器控制信号作为自启动电路控制所需的时钟信号，并且通过监测两路输出电压，产生一个自启动结束的控制信号。

串联-并联式开关电容自启动电路，通过自启动控制电路产生的控制信号，控制开关电容电路进行开关切换，并且通过光电输入电压传至自启动电路，产生两路输出的自启动电压，将两路输出电压抬升至设定值。

自启动控制电路包括：环形振荡器，时钟升压器，两个连续时间比较器，两个输出电压分压电路；环形振荡器接收输入的光电电压以及控制使能信号，产生一个控制时钟信号，其输出连接时钟升压器；时钟升压器，其输入为环形振荡器的输出时钟信号，通过开关电容升压电路，将接收的时钟信号抬升至一个高电压时钟信号，作为其输出；两个连续时间比较器，通过接收输出电压的值，以及参考源产生电路输出的参考电压值，产生两个自启动状态信号，指示两路输出电压是否抬升至设定值；两个输出电压分压电路，通过将两路输出电压按设定比例分压，输出至两个连续时间比较器，以提供输出电压的电压值情况。

串联-并联开关电容自启动电路包括两个独立的开关电容升压器，第一个开关电容升压器接收泛在环境中的光电电压输入，并产生第二路的自启动输出电压，第二个开关电容升压器接收第一个开关电容升压器的输出，并且输出第一路自启动输出电压。

进一步地，自启动电路通过接收光电采集器件产生的光电电压VPV，并通过一个环路振荡器，产生一个工作时钟CLK_SU。CLK_SU经时钟抬升电路抬升至高电压信号后，控制第一级开关电容DCDC，为第二路输出VOUT2充电。当VOUT2抬升之后，通过VOUT2启动第二级开关电容DCDC，为第一路输出VOUT1充电。当VOUT2抬升至1V，并且第二路输出抬升至1.8V后，转换器完成自启动，并将工作模式切换至混合能量采集模式。

具体地，请参照图3，自启动电路包括两个伪电阻分压电路、两个动态比较器、自启动控制数字逻辑电路、环形振荡器1、环形振荡器2、时钟升压电路、并联串联开关电容DCDC与佩里科尼电荷泵。图3中(a)和(b)是伪电阻分压电路，(a)的伪电阻分压电路的VD1输出端连接图3中(c)的动态比较器的VD1输入端，(b)的伪电阻分压电路VD2输出端连接图3中(d)的动态比较器的VD2输入端，图3中(c)的动态比较器的VRD1输出端连接图3中(e)的SR锁存器1的S端，(d)的动态比较器的VRD2输出端连接(e)的SR锁存器2的S端，图3中的(c)和(d)的动态比较器的负端连接参考源产生电路的带隙基准源的输出端，(e)的SR锁存器2的Q端连接(e)的与门输入端，(e)中的电平转换电路1输入端连接能量采集与输出电路中的两路的输出负载电压，(e)的与门输出端ENBL和非门输出端ENBH连接图3中(f)的输入端，(f)的输出端分别连接能量采集电路和基准功能电路的输入端，图3中的(g)的环形振荡器1的输入端连接能量采集与输出电路中光能的能量输入电压，环形振荡器2的一个输入端连接(e)中非门的输出端ENBH，佩里科尼电荷泵输出端连接能量采集与输出电路的一个功率管栅极。

两个伪电阻分压电路，其中MP1-MP3实现对第一路自启动电压VSU1的三分之一倍分压VD1，MP4-MP8实现对第二路自启动电压VSU2的五分之三倍分压VD2。两个动态比较器，实现将分压结果VD1与VD2，和参考源产生的600mV电压进行比较，输出VRD1与VRD2表示每路自启动结束的信号。自启动控制数字逻辑电路，在上电时接收RESET高电平信号进行复位，此后MAIN_EN为高电平，ENBL与ENBH为低电平，表示转换器进入自启动模式，当VRD1与VRD2分别变化到高电平时，SR锁存器进入锁存状态，VRDL与VRDH为高电平，此后ENBL与ENBH为高电平，经一个NAND门后，MAIN_EN为低电平，表示自启动结束。图中的环形振荡器1接收光电电压VPV为输入，产生两个时钟信号CLKN1与CLKP1，此时两个时钟信号幅值与VPV相同，电压较低，需经过时钟升压电路抬升至CLKHN1与CLKP1，用于控制并联串联开关电容DCDC进行开关切换，将VPV输入电压经DCDC抬升至VSU2。环形振荡器2用于接收VSU2作为输入，接收ENBH作为使能控制信号，ENBH为低电平时环形振荡器2开始工作，ENBH为高电平时环形振荡器2停止工作，环形振荡器2产生的两个时钟信号CLK1与CLK2作为控制时钟，给佩里科尼电荷泵提供开关切换控制。

因此，通过自启动电路，使得转换器可以实现低压自启动，并在启动完成后自动切换至能量采集模式，提高了实际场景的适配性。

如图1所示，自启动电路输出信号MAIN_EN，用于启动基准功能电路和能量采集控制电路，其中，基准功能电路包括参考源产生电路。参考源产生电路用于根据输出负载电压，产生参考电压和多个输出负载电压的分压电压。

在一些实施例中，参考源产生电路通过带隙基准源产生一个参考电压VERF0P6，并且将三路输出负载电压VOUT1，VOUT2，VOUT3与储能电容电压VSTO通过分压电路实现按设定比例分压。

具体地，请参照图4，参考源产生电路包括一个带隙基准源，四个伪电阻分压电路，用于产生电压参考源。图4中的(a)、(b)、(c)、(d)和(e)的输入端连接的多路需求的输出负载电压和储能电容电压。图4中的(a)的输出端VREF0P6连接能量采集控制电路的输入端，(b)、(c)、(d)和(e)的输出端分别连接输出端能量需求监测电路的多个动态比较器的正端。

带隙基准源1由一个耗尽型NMOS的MN1，以及两个PMOS的MP1-2组成，用于产生一个600mV的参考电压VREF0P6，为转换器提供一个稳定的参考电压。第一个伪电阻分压电路由MP3-11组成，用于将第一路输出负载电压VOUT1进行十分之三的比例分压，产生VREF1的分压电压。第二个伪电阻分压电路由MP12-15组成，用于将第二路输出负载电压VOUT2进行二分之一的比例分压，产生VREF2的分压电压。第三个伪电阻分压电路由MP16-19组成，用于将第三路输出负载电压VOUT3进行四分之三的比例分压，产生VREF3的分压电压。第四个伪电阻分压电路由MP20-23组成，用于将储能电容电压VSTO进行五分之三的比例分压，产生VREFL的分压电压。

如图1所示，基准功能电路还包括系统时钟产生电路，系统时钟产生电路用于产生能量采集控制电路运行的时钟信号。

在一些实施例中，系统时钟产生电路用于产生转换器的能量采集控制电路运行所需的系统时钟信号CLK_OSC，并通过一个分频电路，将CLK_OSC分频出CLK_CP与CLK_SYS。

具体地，请参照图5，图5是系统时钟产生电路结构示意图，请参照图5，系统时钟产生电路包括图5中的(a)和(b)，图5中的(a)的环形振荡器3输出端连接图5中的(b)与门的输入端，(a)的触发器的输出端CLKL连接(b)的触发器的CLK端。系统时钟产生电路包括一个环形振荡器3以及数字逻辑时钟分频电路，环形振荡器3用于产生系统时钟信号CLK_OSC，作为整个转换器的时钟信号，后续由D触发器以及门电路组成的时钟分频电路，将CLK_OSC信号先32倍频，产生CLKL。CLKL再控制图中下部的D触发器组成的分压电路，产生控制MPPT电路的使能信号EN_MPPT，EN_MPPT将CLK_OSC分别使能，产生MPPT周期内的时钟信号CLK_CP与转换器系统时钟CLK_SYS。

如图1所示，能量采集控制电路包括输出端能量需求监测电路，输出端能量需求监测电路包括多个动态比较器，第二控制信号包括多路的需求控制信号，动态比较器用于根据参考源产生电路产生的参考电压和参考源产生电路产生的分压电压，产生相应的需求控制信号。

在一些实施例中，输出端能量需求监测电路用于将参考源产生电路产生的三路输出分压结果以及储能电容的分压结果，与VREF0P6进行比较，其输出用于监测三路输出电压的负载需求情况，并且监测储能电容的能量需求情况。

具体地，请参照图6，输出端能量需求监测电路包括四个动态比较器。每个动态比较器的正端分别连接图4中的(b)、(c)、(d)和(e)的输出端，动态比较器的负端连接图4中的(a)的输出端，动态比较器的输出端连接模式选择电路的输入端。第一个动态比较器正端输入为分压结果VREF1，负端输入为参考电压VREF0P6，产生的输出为VOUT1_REQ，表示第一路负载需要供能。第一个动态比较器正端输入为分压结果VREF1，负端输入为参考电压VREF0P6，产生的输出为VOUT1_REQ，表示第一路负载需要供能。第二个动态比较器正端输入为分压结果VREF2，负端输入为参考电压VREF0P6，产生的输出为VOUT2_REQ，表示第二路负载需要供能。第三个动态比较器正端输入为分压结果VREF3，负端输入为参考电压VREF0P6，产生的输出为VOUT3_REQ，表示第三路负载需要供能。第四个动态比较器正端输入为分压结果VREFL，负端输入为参考电压VREF0P6，产生的输出为VSTO_REQ，表示储能电容需要供能。需求控制信号即为VOUT1_REQ、VOUT2_REQ、VOUT3_REQ和VSTO_REQ。

如图1所示，能量采集控制电路包括最大功率追踪电路，输入端最大功率追踪电路包括部分开环最大功率点追踪分压电路、动态比较器和压电电压峰值检测电路，第一控制信号包括直流能量的最大功率点追踪控制信号、储能电容的能量供给控制信号和压电能的峰值控制信号。

在一些实施例中，最大功率追踪电路包括两个部分开环最大功率点追踪分压电路，三个动态比较器和两个PZT电压峰值检测电路。两个部分开环最大功率点追踪分压电路，采用热电和光电电压作为输入，并输出其按照设定的分压比例分压后的结果(采样电压)，储存在采样电容上。

三个动态比较器中的两个动态比较器，第一个动态比较器的正端输入为热电电压值，负端输入为部分开环最大功率点追踪分压电路输出的热电采样电压，输出为热电能量采集的最大功率点追踪控制信号；第二个动态比较器，其正端输入为光电电压值，负端输入为部分开环最大功率点追踪分压电路输出的光电采样电压，输出为光电能量采集的最大功率点追踪控制信号。最大功率点追踪控制信号包括光电能量采集的最大功率点追踪控制信号和热电能量采集的最大功率点追踪控制信号。

第三个动态比较器(第二动态比较器)，其正端输入为储能电容值，负端输入为参考源产生电路输出的参考电压VREF0P6，其输出为储能电容的能量供给控制信号(储能电容的能量供给控制信号)。

两个PZT电压峰值检测电路(压电电压峰值检测电路)，分别检测PZT正负端的电压峰值，其特征为，包括一个RC延时单元，一个动态比较器。RC延时单元用于将输入的PZT一端电压进行一段延时，输出一个PZT电压的延时值(延时信号)。动态比较器，其正端输入PZT的一端电压值，负端输入RC延时单元所输出的值，输出一个指示PZT一端电压达到峰值的控制信号(压电能的峰值控制信号)。

输入端最大功率追踪电路，其作用是产生MPPT的控制信号，用于追踪泛在环境能量输入电压的最大功率点，并且追踪电压信号翻转的峰值，监测储能电容的电压情况。

具体地，MPPT电路，其输入为光电和热电电压VPV，VTEG，以及用于MPPT控制的时钟信号CLK_MPPT，根据这些输入，将热电信号与光电信号进行采样，然后在MPPT周期内，将采样值与VPV和VTEG的闭环电压进行比较，产生MPPT的控制信号。压电信号翻转检测电路，其输入为压电电压VPZT+，VPZT-以及片外输入的压电时钟控制信号CLK_PZTON，通过一个延时单元，将压电电压的延时值与瞬态值进行比较，得到峰值的时刻对应的控制信号VP+和VP-。对于储能电容的能量供应监测，则是将储能电容的电压VSTO与参考电压VREF0P6进行比较，得到其可用于供能的指示信号BK_RD。

进一步地，请参照图7，输入端最大功率追踪电路包括一个两相不交叠时钟，两个开关电容分压电路，3个动态比较器以及PZT峰值电压检测电路。图7中的(c)为两相不交叠时钟，两相不交叠时钟的输入端连接系统时钟产生电路的输出端，输出端连接图7中(b)和(d)的开关电容分压电路的开关，图7中的(a)的动态比较器正端连接能量采集与输出电路的储能电容电压，负端连接图4中的(a)的输出端，图7中的(b)和(d)的正端分别连接能量采集与输出电路的热能和光能的能量输入电压，图7中的(e)为PZT峰值电压检测电路，该电路输入端连接能量采集与输出电路的压电能的能量输入电压，图7中的(a)、(b)、(d)和(e)的输出端连接模式选择电路的输入端。

两相不交叠时钟，其输入为CLK_CP，根据输入的时钟信号，产生两个时钟P1与P2，其高电平区间无重叠。第一个开关电容分压电路由四个开关与两个电容组成，在P1为高电平时，左上开关与右下开关导通，将VTEG电压采样到电容C1，当P2为高电平时，左下开关与右上开关导通，在C1与C2之间进行电荷采样，此时C2上的采样电压为VTEG开环电压的二分之一。第二个开关电容采样电路，工作原理同上，将VPV电压采样至C5电容上，采样电压值为VPV电压的四分之三。第一个动态比较器，其正端输入为储能电容电压VSTO，负端输入为参考电压VREF0P6，当正端高于负端时，在时钟信号上升沿输出高电平脉冲，否则输出低电平，表示储能电容可以为负载供电。第二个动态比较器，其正端为热电电压VTEG，负端为采样的部分开环VTEG电压，当VTEG闭环电压大于采样的部分开环电压时，输出TEG_MPPT为高电平。第三个动态比较器，其正端为光电电压VPV，负端为采样的部分开环VPV电压，当VPV闭环电压大于采样的部分开环电压时，输出PV_MPPT为高电平。

在PZT峰值电压检测电路中，SPZT2_PRE与时钟信号CLK_OSC作为控制信号输入，经与门后输出，作为下一级比较器的时钟信号。第一个动态比较器，其正端输入为PZT输入电容上极板电压VPZT+，负端电压为VPZT+经RC延时后的结果，当负端电压大于正端时，输出一个下降沿，表示VPZT+出现了峰值，此刻动态比较器输出经下降沿检测电路，输入至SR锁存器。SR锁存器输出Q端为PZT RD+，表示可以采集PZT输入电容上极板能量。对于PZT输入电容下极板的电压VPZT+，其峰值检测电路原理同上，输出经SR锁存器后，输出PZT_RD-，表示可以采集PZT输入电容下极板的能量。

如图1所示，能量采集控制电路包括模式选择电路，模式选择电路包括状态选择模块和使能控制信号输出模块，状态选择模块用于根据第一控制信号和第二控制信号，输出模式判断信号，使能控制信号输出模块用于根据模式判断信号，输出使能信号。

在一些实施例中，根据输入端最大功率追踪电路和输出端能量需求监测电路输出的控制信号(第一控制信号和第二控制信号)，判断转换器应处于采集热电能量，采集光电能量，采集热电加光电能量，采集热电加光电加压电能量等模式，输出为模式判断信号。

使能控制信号输出模块，其输入为状态选择模块输出的模式判断信号，根据模式判断信号，输出一系列使能控制信号，用于控制转换器的工作模式。

具体地，请参照图8，模式选择电路主要由组合逻辑电路的逻辑门组成，逻辑门的多个输入端分别连接输入端最大能量追踪电路和输出端能量需求监测电路的输出端，逻辑门的输出端连接自调节导通时间电路和自适应零电流检测电路，图中上半部分是针对输入端最大能量追踪电路输出的控制信号PV_MPPT，TEG_MPPT，PZT_RD+，PZT_RD-以及EN_MPPT进行逻辑操作，首先是将PZT_RD+和PZT_RD-相或，之后与输出端能量需求信号OUTPUT_REQ相与，输出PZT可采集的使能信号EN_PZT。当TEG或者PV能量可以采集时，通过判断两种能量的可同时采集情况，分别输出只采集TEG的使能信号EN_TEG，只采集PV的使能信号EN_PV以及混合采集两种能量的使能信号EN_DS，当外部环境都没有能量可以采集时，判断储能电容能否供能，并输出使能信号EN_BK。图中下半部分是针对输出端能量需求监测电路输出的控制信号进行逻辑操作，其逻辑优先级为第一路输出EN_OUT1优先级最高，EN_OUT2优先级次之，EN_OUT3优先级再次之，当所有负载都没有能量需求时，再判断储能电容是否有能量需求，输出EN_STO。

如图1所示，能量采集控制电路包括自调节导通时间电路，自调节导通时间电路包括延时控制字产生电路，可调电阻电容的延时单元和延时控制逻辑电路，延时控制字产生电路包括分压电路和动态比较器，分压电路用于对能量输入电压进行分压，得到分压电压，动态比较器用于根据分压电压和参考源产生电路产生的参考电压，得到延时控制字信号，可调电阻电容的延时单元用于根据延时控制字信号，调节电阻的阻值和电容的电容值，得到复位信号，延时控制逻辑电路用于根据使能信号和复位信号，输出第三控制信号。

在一些实施例中，自调节导通时间电路包括延时控制字产生电路，可调电阻电容的延时单元，延时控制逻辑电路。延时控制字产生电路包括两个分压电路，以及两个动态比较器，动态比较器的作用是分别将热电和光电电压与一个参考电压比较，并输出比较结果，其结果输入至计数器中，其输出即延时控制字(延时控制字信号)。热电的延时控制字为两位，光电的延时控制字为三位。

可调电阻电容的延时单元用于根据延时控制字，动态调节转换器采集能量时的开关开启时间。

延时控制逻辑电路用于产生延时开始和延时结束的信号，并输出转换器开关导通的控制信号，以及零电流检测电路的控制信号。

自调节导通时间电路用于根据模式选择电路输出的使能信号以及输入与输出电压，自适应调节转换器的导通时间，产生导通时间的控制信号。

具体地，请参照图9，自调节导通时间电路，包括两个伪电阻分压电路，一个参考电压产生电路，两个动态比较器，两个计数器，一个可调RC延时电路，导通时间控制电路以及PZT翻转检测。图9中的(a)的输入端分别连接系统时钟产生电路和参考源产生电路的输出端，图9中的(a)的计数器输出端连接图9中的(b)导通时间控制电路的开关，图9中的(b)的输入端连接模式选择电路的输出端和图9中的(c)或门的输出端，图9中的(b)的输出端ZCD_EN连接图10中D触发器CLK端，图9中的(c)PZT翻转检测电路输入端连接能量采集与输出电路的压电能的能量输入电压，图9中的(c)的输出端ON_PZT+和ON_PZT-以及图9中的(b)的输出端连接栅极控制与驱动电路的输入端。

第一个伪电阻分压电路，其输入为VTEG电压，在EN_MPPT为低电平时开始工作，根据计数器输出的两位数字码，控制分压电路的分压比例，分别输出一倍至四分之一的分压比。第二个伪电阻分压电路，其输入为光电电压VPV，在EN_MPPT为低电平时开始工作，根据计数器输出的三位数字码，控制分压电路的分压比例，分别输出五分之一至九分之一的分压比。两个动态比较器，其正端输入分别为两个伪电阻分压结果，负端输入为参考源产生的100mV参考电压，当正端大于负端时，输出高电平信号，计数器对应加一；当正端小于负端时，输出低电平信号，计数器对应减一。PZT翻转检测电路，根据PZT+以及PZT-在双堆叠时，达到峰值时刻进行翻转或者进行采样，当PZT电压峰值没有达到设定的电压值VINT时，输出响应的翻转信号ON_PZT+或者ON_PZT-；或者采样结束信号PZT_ZCD_EN。

可调RC延时电路(可调电阻电容延时电路)，其电阻由三个等比阻值电阻构成，分别由三个开关控制，开关控制的使能信号为EN_OUT123，分别对应第一路至第三路负载能量需求使能时，接入对应的电阻值。其中第一路负载需求EN_OUT1使能时，接入的电阻值最大，导通时间相应增大。第三路负载需求EN_OUT3使能时，接入的电阻最小，导通时间也相应减小。可调RC延时电路的电容由并联的电容阵列构成，在控制使能信号EN为低电平时，进行放电，在高电平时，进行充电。在EN_TEG使能为高电平时，对应的电容接入并联阵列，其自适应调节的数字码TEG01如为高电平，则接入对应的电容值，增加导通时间。在EN_PV使能为高电平时，对应的电容接入并联阵列，其自适应调节的数字码PV012如为高电平，则接入对应的电容值，增加导通时间。在EN_BK使能为高电平时，对应的电容接入并联阵列，产生使用储能电容供电的导通时间。可调RC延时电路产生的延时作为控制信号，输入至导通时间控制电路的D触发器的RN端，表示结束导通时间。D触发器的输出Q端在使能信号EN到来后跳变为高电平，在复位信号RN到来后跳变为低电平。Q端输出分别与模式选择电路输出的使能信号相与，产生开关导通控制信号(第三控制信号)ON_TEG，ON_PV，ON_BK。QB端输出与使能信号EN经过与门，再和PZT翻转电路输出的PZT_ZCD_EN信号相或之后，输出零电流检测使能信号ZCD_EN。

如图1所示，能量采集控制电路包括自适应零电流检测电路，自适应零电流检测电路包括连续时间比较器和数字逻辑电路；连续时间比较器用于根据能量输入电压的变化，产生零电流转换的时间节点变化信号；数字逻辑电路用于根据时间节点变化信号和使能信号，得到第四控制信号。

在一些实施例中，自适应零电流检测电路包括一个连续时间比较器，一个动态比较器，以及零电流检测控制逻辑电路。

连续时间比较器，其正端为电感左端，负端为一个多选器的输出，在不同模式下分别接地或者热电电压，用于产生零电流转换的时间节点变化情况。

动态比较器，其正端为电感左端，负端为一个多选器的输出，在不同模式下分别接地或者热电电压，其时钟控制信号为连续时间比较器的上升沿触发，用于对零电流检测进行动态校正。

零电流检测控制逻辑电路，其输入为两个比较器的输出，用于产生自适应失调校准的控制字，其输出的控制字用于控制连续时间比较器的失调值校准。

自适应零电流检测电路，用于根据模式选择电路产生的使能信号，检测电感电流的过零点，并且根据转换器所处的工作状态自适应地调节检测电路的输出信号。

具体地，请参照图10，自适应零电流检测电路包括一个自适应失调调节的连续时间比较器，一个动态比较器，零电流控制数字逻辑电路。图10中的多个或门输入端EN_STO和EN_OUT<3:1>连接模式选择电路的输出端，或门输出端连接栅极控制与驱动电路的输入端。自适应失调调节连续时间比较器，其输入正端为电感左端电压VX，负端为一个多选器的输出VMUX，当转换器工作在只采集光电电压VPV时，VMUX输出为接地VSS，当转换器工作在采集VTEG或者混合采集VPV与VTEG时，VMUX输出为VTEG电压，连续比较器的失调根据转换器所处的工作模式，通过零电流控制数字逻辑电路所产生的控制字FT012以及CT012进行动态调节。

动态比较器，其输入端接法与上述连续时间比较器相同，其时钟输入为连续时间比较器输出的上升沿信号，经锁存器锁存后的输出。当连续时间比较器完成工作后，动态比较器进行工作，其输出表示经一段延时后，零电流检测的结果，输出为高电平表示此时连续时间比较器输出的零电流信号准确或稍晚。输出低电平表示连续时间比较器检测的零电流信号早于实际零电流时刻。

具体来说，动态比较器的输出作为后续三个细调三位计数器的输入，控制计数器进行加减计数，三个细调计数器的使能控制信号分别为三路输出负载的使能信号EN_OUT123，三个细调计数器的输出为三位细调控制字FT012。细调比较器的输出，经过一个与门输出，作为全1检测输出至下一级粗调三位计数器，细调比较器的输出同时经过或非门，作为全0检测，输出至下一级粗调三位计数器。当第一级细调三位计数器全0时，粗调三位计数器减一，当第一级细调三位计数器全1时，粗调三位计数器加一。细调和粗调的三位计数器的输出，经过多选器输出后，作为失调调节控制字，控制连续时间比较器的失调。

自适应零电流检测电路中，连续比较器的输出，经数字逻辑控制电路后，分别与EN_OUT123以及EN_STO相或，产生零电流关断控制信号(第四控制信号)OFF_OUT123以及OFF_STO。

如图1所示，能量采集控制电路包括栅极控制与驱动电路，栅极控制与驱动电路包括栅极控制逻辑电路和功率管驱动电路；栅极控制逻辑电路，用于根据第三控制信号和第四控制信号，得到功率管驱动电路中每个功率器件的栅极驱动控制信号；功率管驱动电路，用于对栅极驱动控制信号进行增强，得到第五控制信号。

在一些实施例中，栅极控制与驱动电路用于根据导通时间电路产生的控制信号以及零电流检测电路输出的控制信号，产生转换器功率管栅极的控制信号。

具体地，请参照图11，栅极控制与驱动电路包括栅极控制数字电路，以及后续的电平转换电路和栅极驱动电路。图11的多个栅极控制数字电路输入端连接模式选择电路、自调节导通时间电路以及自适应零电流检测电路的输出端，栅极驱动电路的输出端连接相应的图2能量采集与输出电路中相应的功率管的栅极。

13个栅极控制数字逻辑电路，其输入为自调节导通时间电路以及自适应零电流检测电路的输出，栅极控制数字逻辑电路输出的控制信号，需经过电平转换电路，转换为相应的高电平控制信号，输入给栅极驱动电路，栅极驱动电路通过逐级增加扇出的方式，将栅极控制信号的驱动能力提高，得到第五控制信号。第五控制信号用于控制相应的功率管栅极，通过控制图2中的多个功率管栅极，实现能量的混合采集与多路输出。

本发明与相关技术相比至少具有以下有益效果：

通过追踪输入端能量情况与输出端负载需求，自适应选择工作模式，实现了单周期多能量混合采集，提高了能量采集的充分性与端到端效率。

通过单级式架构，避免了AC至DC能量转换的损耗，提高了交流能量采集效率。

通过增加自启动电路，使得转换器可以实现低压自启动，并在启动完成后自动切换至能量采集模式，提高了实际场景的适配性。

以上参照附图说明了本公开实施例的优选实施例，并非因此局限本公开实施例的权利范围。本领域技术人员不脱离本公开实施例的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本公开实施例的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述多能量采集与多输出管理转换器包括能量采集控制电路，所述能量采集控制电路包括输入端最大功率追踪电路、输出端能量需求监测电路、模式选择电路、自调节导通时间电路、自适应零电流检测电路和栅极控制与驱动电路；

所述输入端最大功率追踪电路，用于采集多个能量输入电压和储能电容电压，得到第一控制信号；

所述输出端能量需求监测电路，用于采集多路需求的输出负载电压和所述储能电容电压，得到第二控制信号；

所述模式选择电路，分别连接所述输入端最大功率追踪电路和所述输出端能量需求监测电路，用于根据所述第一控制信号和所述第二控制信号，得到不同模式的使能信号；

所述自调节导通时间电路，连接所述模式选择电路，用于根据所述能量输入电压和所述使能信号，得到导通时间的第三控制信号；

所述自适应零电流检测电路，连接所述模式选择电路，用于根据所述能量输入电压和所述使能信号，得到零电流转换时间的第四控制信号；

所述栅极控制与驱动电路，连接所述自调节导通时间电路和所述自适应零电流检测电路，用于根据所述第三控制信号和所述第四控制信号，得到第五控制信号，所述第五控制信号用于控制所述多能量采集与多输出管理转换器的能量采集和输出。

2.根据权利要求1所述的多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述多能量采集与多输出管理转换器还包括自启动电路，所述自启动电路连接所述能量采集控制电路，所述自启动电路用于通过所述能量输入电压和所述输出负载电压，对所述多能量采集与多输出管理转换器进行启动。

3.根据权利要求1所述的多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述多能量采集与多输出管理转换器还包括基准功能电路，所述基准功能电路连接所述能量采集控制电路，所述基准功能电路包括系统时钟产生电路，所述系统时钟产生电路用于产生所述能量采集控制电路运行的时钟信号。

4.根据权利要求3所述的多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述基准功能电路还包括参考源产生电路，所述参考源产生电路用于根据所述输出负载电压，产生参考电压和多个所述输出负载电压的分压电压。

5.根据权利要求4所述的多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述输出端能量需求监测电路包括多个动态比较器，所述第二控制信号包括多路的需求控制信号，所述动态比较器用于根据所述参考源产生电路产生的参考电压和所述参考源产生电路产生的分压电压，产生相应的所述需求控制信号。

6.根据权利要求4所述的多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述输入端最大功率追踪电路包括部分开环最大功率点追踪分压电路、动态比较器和压电电压峰值检测电路，所述第一控制信号包括直流能量的最大功率点追踪控制信号、储能电容的能量供给控制信号和压电能的峰值控制信号；

所述部分开环最大功率点追踪分压电路，用于根据直流能量的所述能量输入电压，得到直流能量的采样电压；

所述动态比较器包括第一动态比较器和第二动态比较器；

所述第一动态比较器，用于根据直流能量的所述能量输入电压和所述采样电压，得到所述最大功率点追踪控制信号；

所述第二动态比较器，用于根据储能电容电压和所述参考源产生电路输出的参考电压，得到储能电容的所述能量供给控制信号；

所述压电电压峰值检测电路包括电阻电容延时电路和动态比较器，所述电阻电容延时电路用于确定压电能的所述能量输入电压的延时信号，所述动态比较器用于根据压电能的所述能量输入电压和所述延时信号，输出压电能的所述峰值控制信号。

7.根据权利要求1所述的多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述模式选择电路包括状态选择模块和使能控制信号输出模块；

所述状态选择模块，用于根据所述第一控制信号和所述第二控制信号，输出模式判断信号；

所述使能控制信号输出模块，用于根据所述模式判断信号，输出所述使能信号。

8.根据权利要求4所述的多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述自调节导通时间电路包括延时控制字产生电路，可调电阻电容的延时单元和延时控制逻辑电路；

所述延时控制字产生电路包括分压电路和动态比较器，所述分压电路用于对所述能量输入电压进行分压，得到分压电压，动态比较器用于根据所述分压电压和所述参考源产生电路产生的参考电压，得到延时控制字信号；

所述可调电阻电容的延时单元，用于根据所述延时控制字信号，调节电阻的阻值和电容的电容值，得到复位信号；

所述延时控制逻辑电路，用于根据所述使能信号和所述复位信号，输出所述第三控制信号。

9.根据权利要求1所述的多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述自适应零电流检测电路包括连续时间比较器和数字逻辑电路；

所述连续时间比较器，用于根据所述能量输入电压的变化，产生零电流转换的时间节点变化信号；

所述数字逻辑电路，用于根据所述时间节点变化信号和所述使能信号，得到所述第四控制信号。

10.根据权利要求1所述的多能量采集与多输出管理转换器，其特征在于，所述栅极控制与驱动电路包括栅极控制逻辑电路和功率管驱动电路；

所述栅极控制逻辑电路，用于根据所述第三控制信号和所述第四控制信号，得到所述功率管驱动电路中每个功率器件的栅极驱动控制信号；

所述功率管驱动电路，用于对所述栅极驱动控制信号进行增强，得到所述第五控制信号。