高效室内光能与热能协同俘获电路设计

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随着集成电路技术、传感技术以及通信技术的高速发展,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)正在逐渐进入人们的视线,并广泛应用于军事、工业、环境监控系统、消费电子、植入式医疗设备以及智能家居等领域。但目前采用传统电池为WSN节点供电的方式存在着许多缺陷,如体积较大、续航能力较差以及更换不方便等。近年来,通过俘获工作环境中所产生的能量给WSN节点提供电能成为了当下研究的热点。并且随着研究的深入,多源能量融合俘获电路逐渐成为了当下研究的新方向。在众多环境能量俘获技术中,光电能量俘获技术和热电能量俘获技术因其较环保的能源形式、换能器简单且工作噪音低等诸多优点而备受青睐。室内存在各种光能和温差热能,通过光伏电池和温差热电片换能后可获得直流电,但温差热电能在通常状况下由于开路电压低而难以俘获,单一的室内光能因能量密度较低也难以俘获。因此,针对室内环境,设计高效的能量俘获电路实现室内光能和热能的融合俘获成为了本文主要的研究重点。本文针对室内光能和热能俘获问题,通过分析光伏电池以及温差热电片的发电机制,建立等效模型,并对适用于室内光能能量俘获的最大功率跟踪技术进行了比较分析,给出了一种高效协同俘获电路设计。论文主要的研究内容如下:1、针对光照条件改变对室内光能量俘获效率影响较大的问题,提出了一种适用于室内的最大功率跟踪电路。电路由电容,MOS管开关以及比较器构成,通过开关的通断对电容进行充放电,根据电容的电荷重分配原理采样到所需电压,并通过比较器将其与光伏电池当前工作电压对比来控制主路开关,从而达到最大功率跟踪的目的。2、针对室内光能和热能,提出了一种双源协同能量俘获电路(Dual-source energy Cooperative Harvesting Circuit,DCHC),所提出的DCHC电路,通过追踪光电的最大功率点,可以在一个电感充放电周期内对光能和热能进行同时俘获,提高能量俘获总量。同时,热能的引入对光能的俘获起到了协同的作用,可以有效提升光能的俘获效率,结果表明,光能俘获峰值效率最高可达86%。此外,此电路还可以无视元器件的阈值电压,可以将环境中微弱的热能也一并俘获,热能的平均转化率可达58%。
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