面向蓄电池的多输入源低功耗充电电路设计

宋德伟

(四川省人民医院后勤保障部,成都 610000)

面向蓄电池的多输入源低功耗充电电路设计

宋德伟*

(四川省人民医院后勤保障部,成都 610000)

针对蓄电池的储能问题,提出了一种多输入源且可扩充的高效充电电路和相应的控制算法。该充电电路主要由数字控制单元(DCU)、比较器、基于Dickson电荷泵结构的时钟倍压器(CVD)以及模拟开关组成,可以对多个独立能量采集器(EH)进行电能收集。该系统支持通过热插拔方式扩充任意数量的EH。提出的控制算法可以将从各个EH采集到的能量传递到能量储存装置而不会互相干扰。采用0.18 μm CMOS工艺对提出电路进行了具体实现。实验结果显示,相比类似的蓄电池充电系统,该充电电路的功耗最低,只需1.72 μW的功耗,能够为3个输入源提供高达96.1%的最大充电效率。

能量收集;多输入源;控制算法;低功耗

随着光伏太阳能、电动汽车、风力发电应用不断发展,蓄电池充电技术也随之成为了电子应用领域的研究热点[1-3]。由于铅酸蓄电池密封好、成本低、污染小的优势,现今社会中,大多数可再生电力能源采集系统均使用蓄电池作为能量存储装置。

为了实现高效率的能量收集,需要使用适当的充电电路。文献[8]提出利用双向和单向DC/DC电路实现功率平衡,从而实现更加高效的蓄电池充电。文献[9]提出利用双向AC-DC来实现蓄电池储能,并给出了供电控制算法。类似以上两个文献的方法,大多数研究都是针对从单个采集器并入能量储存装置的过程。针对从多个能量采集器收集能量的研究还是较少的。

因此,针对多输入源的充电效率和功耗问题,提出了一种能源管理电路设计和控制算法。与具备动态整流[10]的功率方案相比,其选择电压最高的输入支路进行连接负载,可在恒定范围内调节输出电压,并且使用的比较器可进行无滞后操作。该装置允许额外输入以热插拔的方式进行连接,并支持轻松扩大输入数量。运用上述算法,便可使多个在不同功率范围内的输入端子实现较高的充电效率。实验结果显示,该充电装置能够为3个输入源提供高达96.1%的最大充电效率。

1 提出的充电电路

图1为本文提出的上述用于3个能量采集器(EH)的充电电路图。该集成电路主要由数字控制单元(DCU)、比较器、基于Dickson电荷泵结构的时钟倍压器(CVD)[11]以及模拟开关组成。在电源电压为1.2 V的情况下,使用3.3 V I/O电池可使能量输送路径的输入/输出电压(I/O)达到3.3 V。以模块化方式进行设计,使其输入和输出条件可轻松利用外部组件进行改变。

图1 提出的蓄电池充电电路图

电容器Ci通过各个EHi(i=1,2,3)产生的电流IHi进行充电。当电压VCi保持高于1.2 V的水平时,充电电流IL流向1.2 V电池。当Ril和Ri2间的比率将Vci分开,并阻止比较器输入电压达到高于1.2 V的核心电压水平时,比较器输出将达到逻辑高电平状态。

(1)

(2)

(3)

两个电阻器阻值RTH1和RTH2间的比率决定了比较器阈值电压VTH。能量收集电路的目的在于支持适配的VTH,而VTH适用于应用不同Ril和Ri2的各个输入源,简单的说就是同一个VTH可用于所有的输入源。这就使能量收集电路输入电压差异产生的操作难度大大简化,并使其达到最优化。如果需要,可以升降压转换器或充电泵中添加该能量收集电路输出[6-9]。利用上述算法,DCU可以控制开关连接信号OUTi和比较器启动信号ENi。OUTi在逻辑高电平状态(LHS)中时,开关将电容器Ci和电池连接起来。该比较器设有一个20 μs的延迟,仅于ENi在LHS中时启动。不使用该比较器时,ENi会转换到逻辑低电平状态(LLS)并切断比较器的偏压电流。因此,比较器在操作时无滞后,并且可降低功耗。CVD会增加OUTi的DCU输出电压并根据需要控制其开关。

2 充电控制算法

2.1 算法流程设计

图2 展示了充电装置操作过程的流程图。当n个独立的EH开始采集时,i进行初始化。如果VCi高于VTH,开关会在Δt期间将Ci连接到负载。而当Ci连接到负载时,VCi则会降低。如果VCi低于VTH,算法将会检验先前连接的电容器Ck(k≠i)是否存在。如果Ck存在,那么在附加Δt期间它将被持续连接到负载。因此,如果先前连接的能源具有足够的能源供应量时,那么连续将能量传送到负载时会花费更多时间。然而,如果Ck不存在,在附加Δt期间负载不会被连接到任何电容器。当i与n相等时,i进行初始化,上述过程将重复进行。因此,如果所有n个EH都可以为负载提供电能,该算法将以同等可能性安排所有EH连接,否则,它将适应性地选择可能的EH连接负载。

图2 充电算法流程图

图3 DCU电路图

2.2 具体实现

图3为n=3时的DCU电路图。分频器输出的DCLK和2DCLK,由输入时钟CLK分别根据d和2d分频产生。2DCLK作为时钟脉冲用于6 bit计数器。6 bit计数器发出的QC0、QC2和QC4的第1、第3和第5个输出信号为EN1、EN2和EN3比较器的启动信号。以EH1为例,DEN1是DCLK周期的一半,这使EN1延时,从而为比较器1创造出稳定时间。如果信号DEN1在上升沿时IN1在LHS中,那么OUT1就成为LHS,开关1关闭。同时,AND-OUT1会将带有异步复位的D触发器2和带有异步复位的D触发器3重置,并且开关2和开关3会开启。电流从C1流向负载,VC1将减小到DEN2的上升沿。反之,如果IN1在LLS中,并且开关2和开关3中先前关闭的开关存在,保持其原来的状态。这些程序会重复进行,然后EN2和EN3上升沿将分别导致EH2和EH3。6位计数器输出中的QC1、QC3和QC5不能阻挡DENi和OR-OUTj之间的信号碰撞,因为i≠j。虽然实现的能量收集电路仅能够支持3个EHs的最大值,但上述架构很容易就可以被修改以便扩大输入数量。将附加的EHn+i添加到能量收集电路时,计数器的输出位数会从2n增加到2(n+1),AND-OUTn+1被添加到各个ORl的输入中,而ORn+1的输入由AND-OUTl构成(当l=1,2,…,n)。

(4)

(5)

(6)

图4为DCU输入输出信号的功能模拟结果图。从DENi上升沿到下个DENi上升沿的第1个周期中,只有INi在LHS中。因此,OUT1持续维护LHS,而EN1在那个时间间隙内连接到负载。在第2个周期中,IN2成为LHS,IN3仍在LLS中。因此,从DEN2上升沿到下个DEN1上升沿过程中,OUT2在LHS中。

从第3个周期开始,INi、IN2和IN3都在LHS中,因此OUTi、OUT2和OUT3的各个LHS便可以将时间间隙分为相等的3份。

图4 DCU功能模拟结果图

如果输入数量扩大到n,Ci的充电时间τcap的检验周期就可确定为4d(n-1)×CLK周期,等同于(n-1)×Δt的时间周期,如图2中的流程图所示。如果能够在系统中预估出IHi的值,那么当电压从VL升高到VTH时,通过式(4)～式(6)可以得出τcap大约为:

(7)

如果CLK的频率满足:

(8)

根据式(7),可重新整理为:

(9)

VCi的电压可维持在VL到VTH之间的稳定变动范围内。因此,可通过上述VTH控制算法调节输出电压。

3 实验结果

3.1 实验设置

提出的充电电路通过TSMC 0.18 μm CMOS工艺制造,芯片面积约1 mm2,并制作了完整的充电装置样板,如图5所示。外部的OV-7604-C7低压时钟振荡器为DCU操作提供的时钟脉冲频率fop为32.768 kHz[12]。1.2 V的V15H-SU2P-G12镍氢可充电电池可以充当负载。时钟标度比d为2,Ci为0.22 μF,电池电压VL约为1.2 V。

图5 充电电路样板

3.2 操作验证

图6 显示了当VTH约为1.74 V时,VC1、VC2、VC3和VL的测量电压波形。图6(a)展示了电池仅通过一个EH1,使用能量收集电路充电时的波形图。如果VC1低于VTH,开关1开启,C1开始充电。电容器充电直到VC1高于VTH后,开关1关闭。然后电容器开始放电,在约0.73 ms的3Δt期间,充电电流从C1流向电池。同样地,图6(b)和图6(c)分别显示了电池通过不同的能源EH2和EH3充电时的波形图。图6(d)显示了EH1、EH2和EH3同时为电池供能时的波形图。

图6 EH1、EH2和EH3输入时,产生的VC1、VC2、VC3和VL的不同测量电压波形

表1展现出电流和电压平均值的测量结果,当多个EH同时供能时,Icomb是结合ECIC的电流总和IHi。如图6(a)～图6(c)所示,各个电容器和电池之间的连接数量为11、5和4。平均充电电流比值为31∶15∶11=11∶5.3∶3.9,近似于连接频率比值11∶5∶4。显然,连接频率随着充电电流的升高而直线上升,提供的电源电流越高,电容器充电速度就越快。参见图6(d)和表1,充电电路不受输入源数量的控制,能够为各个电容器提供同样的连接频率和平均电压。因此,该充电电路对于充电效率可通过IHi≈IL假设定义为:

(10)

实验实现了η3的91%。随着IHi电流的升高,开关电阻引起的电压降落将导致IL下降。然而,上述系统无需改变架构,仅通过改变开关尺寸就能够对更高的电流进行处理。可传送到电池的电流直接依赖于电池内部的串联电阻。实验更多地集中于对传送到电池的电流数量进行测量,以显示其电流组合效率,而未对电池内串联电阻产生的功耗进行分析。

表1 电压和电流测量平均值

图7是在先前试验的同等VTH条件下对η3进行的描绘。为了获取各个VTH的结果,将Ri2和Ri2的值分别固定为50和100 MQ,VTH是由外部基准电压导致的。当VTH从1.32转变为1.74 V时,η3值保持在91%与90%之间。然而,VTH不应高于VL以便通过路径电阻将功耗最小化。

图7 η3随VTH变化的充电效率

图8 当n=2和n=3,VTH分别为1.42 V和1.62 V时,Icomb的充电效率ηn

3.3 能量收集效率和功耗分析

图8展现了ηn随Icomb变化的曲线,当n=2和n=3时,各个n的VTH分别为1.42 V和1.62 V。所有IHi通过设定,可从各个EH接收到同样的电流,并且为满足式(9)限制了最大电流。经验证,在Icomb约高于175 μA的情况下,将微小的输入能量与高于η3的96.1%组合起来。同样地,在Icomb约高于100 μA的情况下,η2同样可获取96.1%以上的能量。η2获取96.1%以上的能量后,η3与η2相比大约略微下降了不到3%。

为了实现综合能效,充电电路的功耗应当低到足以被忽视的程度。如表2所示,在1.2 V电源电压下,当n为3,fop为32.768 kHz时,电路和外部时钟脉冲源同时操作的功耗为1.46 μW。此外,电阻分压器功耗为:

(11)

表2 充电电路样板的运行功耗测量值

使用高位值电阻可使功耗最小化。例如,当Ri1为50 MΩ,Ri2为100 MΩ时,VCi的最大值为2 V,各分支的最大瞬时功耗约为0.03 μW。因此,如表2中最后一行所示,综合功耗为提出电路和外部组件功耗的总和,在以上所示的例子中,综合能效最多为1.72 μW。在Icomb高于约126 μA的情况下,能量收集电路的电流消耗与Icomb相比不到1%,然而η3却实现了93%以上的能效,如图8所示。表3充电电路性能对比。

表3 充电电路性能对比

4 结论

本文提出了一种高效的蓄电池充电电路,适用于多输入源蓄电池充电系统。该电路通过控制算法,能够支持任意数量的输入EH。采用0.18 μm CMOS工艺对提出电路进行了具体实现。3个输入源的实验结果验证了控制算法的有效性,并说明该充电电路在功耗为1.72 μW(包括外部组件,如电阻和时钟发生器)的情况下能够实现高达96.1%的最大充电效率。

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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

宋德伟(1977-),男,汉族,四川芦山人,工程师,本科,主要研究方向为电力电气技术、自动控制,daiwei_0078@163.com。