本技术涉及集成电路，尤其涉及基于串联堆叠和预充电的混合能量采集电路及其控制方法。
背景技术：
1、随着无线传感器节点的大量涌现，传统的电池供电方式的不足变得越来越明显。这主要是由于电池寿命有限，更换成本高。采集环境中的能量为节点供电提供了可持续的替代方案。许多可再生能源可用于能量采集，包括热能，光能，振动能和生物燃料。配以相应的换能器可完成能量的转换，如：压电换能器(pzt)用于完成机械能向电能的转换、生物燃料电池(bfc)用于完成生物能向电能的转换或热能发电器(teg)用于完成热能向电能的转换。其中，热能以高转化率而闻名；振动能以高功率密度而闻名。单源能量采集系统的可行性已被充分证实，但由于环境能量的固有不稳定性，依赖单一能源可能导致短暂电力供应中断。
2、因此，如何将环境中同时存在的多种可再生能量转换成电路需要的稳定电源，成为亟需满足的需求。混合能源系统的优点，包括更可靠的能源供应和更高的输出功率。然而，现有的混合能量采集电路的设计必须考虑几个关键问题。首先，不同能源通常表现出不同的电器特性。例如，teg和bfc等效为具有串联电阻的理想电压源。而对于pzt则等效为寄生电容和正弦电流源相并联。其次，适配宽的源内阻。teg的源内阻随温度梯度和横截面积而变化，并且同步采集中异质源的内阻匹配也较为困难。最后，在多输入源的约束下难以实现高的能量转换效率。
3、综上，相关技术中存在的技术问题有待得到改善。
技术实现思路
1、本技术实施例的主要目的在于提出一种基于串联堆叠和预充电的混合能量采集电路及其控制方法，能够根据输入的使能信号进行动态切换电路的工作模式，并拓宽内阻跟踪范围，从而提高能量转换效率。
2、为实现上述目的，本技术实施例的一方面提出了一种基于串联堆叠和预充电的混合能量采集电路，所述电路包括压电换能器、生物燃料电池、热能发电器和功率级电路，所述功率级电路采用串联堆叠环路结构与预充电方法，所述压电换能器的输出端、所述生物燃料电池的输出端、所述热能发电器的输出端分别与所述功率级电路的输入端连接，其中：
3、所述压电换能器、所述生物燃料电池和所述热能发电器用于提供电源能量；
4、所述功率级电路用于将所述电源能量进行转换，输出转换后的电源能量。
5、在一些实施例中，所述功率级电路包括峰值检测器、过零检测器、零电流切换控制器、脉冲发生器、自动模式选择控制器、采样保持器、导通时间控制器和栅极驱动器，所述峰值检测器的输出端与过零检测器的输出端分别与所述自动模式选择控制器的第一输入端连接，所述零电流切换控制器的输出端与所述自动模式选择控制器的第二输入端连接，所述自动模式选择控制器的第一输出端与所述零电流切换控制器的输入端连接，所述脉冲发生器的第一输出端与所述自动模式选择控制器的第三输入端连接，所述脉冲发生器的第二输出端与所述采样保持器的第一输入端和所述导通时间控制器的第一输入端连接，所述自动模式选择控制器的第二输出端分别与所述采样保持器的第二输入端和所述导通时间控制器的第二输入端连接，所述采样保持器的输出端和所述导通时间控制器的输出端与所述自动模式选择控制器的第四输入端连接，所述自动模式选择控制器的第三输出端与所述栅极驱动器的输入端连接，其中：
6、所述峰值检测器和所述过零检测器用于获取交流能量的使能信号并进行复用处理，输出dc采样信号；
7、所述零电流切换控制器用于控制电感电流的流向；
8、所述脉冲发生器用于生成脉冲激励信号；
9、所述自动模式选择控制器用于根据所述dc采样信号与所述脉冲激励信号，控制所述功率级电路的工作模式；
10、所述采样保持器和所述导通时间控制器用于获取最大输入功率电压，并与所述采样保持器的当前输入电压进行比较处理，根据比较结果对所述当前输入电压进行调节，得到调节后的输入电压；
11、所述栅极驱动器用于调节所述功率级电路的开关管的响应时长。
12、在一些实施例中，所述功率级电路还包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第一输入电容、第二输入电容、输出电容与片外电感，其中，所述第十开关管、所述第十一开关管、所述第十二开关管与所述第十三开关管组成整流器，所述压电换能器与所述整流器连接，所述生物燃料电池与所述热能发电器之间通过所述第二开关管连接，所述生物燃料电池的输出端与所述第三开关管的第一端连接，所述热能发电器的输出端与所述第一开关管的第一端连接，所述第三开关管的第二端、所述第一输入电容的第一端、所述第七开关管的第一端和所述第四开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端、所述第二输入电容的第一端与所述第五开关管的第一端连接，所述第四开关管的第二端、所述第五开关管的第二端、所述第六开关管的第一端、所述片外电感的第一端与所述整流器连接，所述片外电感的第二端、所述第九开关管的第一端、所述第八开关管的第二端与所述第七开关管的第二端连接，所述第九开关管的第二端与所述输出电容的第一端连接，所述第一输入电容的第二端、所述第二输入电容的第二端、所述输出电容的第二端、所述第六开关管的第二端与所述第八开关管的第二端均接地。
13、在一些实施例中，所述自动模式选择控制器包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、下降沿检测器、脉宽检测器、rs触发器、d触发器、第一数字门、第二数字门、第三数字门、第四数字门、第五数字门、第六数字门、第七数字门与第八数字门，所述第一比较器的第一输出端与下降沿检测器的第一输入端连接，所述第二比较器的第一输出端、所述d触发器的第二输入端和所述第五数字门的第一输入端连接，所述d触发器的第一输入端接电源，所述第一数字门的第一输出端与所述第四数字门的第一输入端连接，所述第二数字门的第一输出端与所述第四数字门的第二输入端连接，所述第三数字门的第一输出端与所述第六数字门的第一输入端连接，所述第四数字门的第一输出端与所述第五数字门的第二输入端连接，所述d触发器的第一输出端与所述第七数字门的第二输入端连接、所述下降沿检测器的第一输出端与所述第七数字门的第一输入端连接，所述第七数字门的第一输出端与所述rs触发器的第一输入端连接，所述脉宽检测器的第一输出端与所述rs触发器的第二输入端连接，所述第三比较器的第一输出端与所述第八数字门的第一输入端连接。
14、在一些实施例中，所述导通时间控制器包括第四比较器、第五比较器、第六比较器、第七比较器、第一d触发器、第二d触发器、第九数字门与第十数字门，所述第四比较器的第一输出端与所述第一d触发器的第二输出端连接、所述第五比较器的第一输出端与所述第一d触发器的第三输入端连接，所述第六比较器的第一输出端与所述第二d触发器的第二输出端连接、所述第七比较器的第一输出端与所述第二d触发器的第三输入端连接，所述第一d触发器的第一输出端与所述第九数字门的第一输入端连接，所述第二d触发器的第二输出端与所述第十数字门的第一输入端连接，所述第一d触发器与所述第二d触发器的第一输入端均接电源。
15、为实现上述目的，本技术实施例的另一方面提出了一种基于串联堆叠和预充电的混合能量采集电路的控制方法，所述方法包括以下步骤：
16、获取输入电压信号与外接设备所需的负载端功率，所述输入电压信号由压电换能器、生物燃料电池和热能发电器产生；
17、对所述输入电压信号与所述负载端功率进行比较，得到比较结果；
18、根据所述比较结果确定功率级电路的工作模式，进行能量转换输出，满足所述外接设备所需的负载端功率。
19、在一些实施例中，所述功率级电路的工作模式包括单源模式、双源模式、预充电模式、协同模式和调节模式，所述输入电压信号包括直流源与交流源。
20、在一些实施例中，所述根据所述比较结果确定功率级电路的工作模式，包括：
21、设置负载端功率第一临界值、负载端功率第二临界值、功率级电路输出电容电压预设阈值、功率级电路的第一输入电容电压阈值、交流源正峰值和交流源负峰值，其中，所述负载端功率第一临界值小于所述负载端功率第二临界值；
22、若所述直流源满足所述负载端功率的最大值且所述负载端功率低于所述负载端功率第一临界值，确定所述功率级电路的工作模式为所述单源模式；
23、若所述负载端功率大于所述负载端功率第一临界值小于负载端功率第二临界值且所述功率级电路的输出电压大于所述功率级电路输出电容电压预设阈值，确定所述功率级电路的工作模式为所述预充电模式；
24、若所述直流源满足所述负载端功率的最大值且所述负载端功率大于所述负载端功率第二临界值，确定所述功率级电路的工作模式为所述双源模式；
25、若所述交流源达到所述交流源正峰值或所述交流源负峰值，确定所述功率级电路的工作模式为所述协同模式；
26、若所述功率级电路的输出电压大于所述功率级电路输出电容电压预设阈值且所述功率级电路的输入电压大于所述功率级电路的第一输入电容电压阈值，确定所述功率级电路的工作模式为所述调节模式。
27、在一些实施例中，还包括通过串联堆叠环路结构对所述功率级电路进行调节处理，其中，所述串联堆叠环路结构包括所述直流源与片上电感，若所述直流源满足所述负载端功率的最大值且所述负载端功率大于所述负载端功率第二临界值，通过串联堆叠环路结构构成lc谐振回路获取所述生物燃料电池和所述热能发电器产生的能量。
28、在一些实施例中，还包括通过预充电方法对所述功率级电路进行调节处理，其中，若所述负载端功率低于所述负载端功率第一临界值且所述功率级电路的输出电压大于所述功率级电路输出电容电压预设阈值，构建预充电环路，通过所述预充电环路将所述生物燃料电池产生的能量传输至所述功率级电路的输入电容。
29、本技术实施例至少包括以下有益效果：本技术提供一种基于串联堆叠和预充电的混合能量采集电路及其控制方法，该方案通过引入串联堆叠环路结构与预充电方法，采用串联堆叠技术，将直流电源与共享电感器相结合来创建双堆栈环路，在提升系统电路最大输出功率的基础上，解决多输入源下的内阻匹配问题，拓宽内阻跟踪范围，采用预充电技术，使得电路在单个系统周期内有效地将能量从热能发电器转移到输入电容器，通过能量流路径，以减少能量浪费，同时改善因负载功率激增而系统瞬态响应变差的情况，从而在多输入源的约束下实现高的能量转换效率。
1.基于串联堆叠和预充电的混合能量采集电路，其特征在于，所述电路包括压电换能器、生物燃料电池、热能发电器和功率级电路，所述功率级电路采用串联堆叠环路结构与预充电方法，所述压电换能器的输出端、所述生物燃料电池的输出端、所述热能发电器的输出端分别与所述功率级电路的输入端连接，其中：
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述功率级电路包括峰值检测器、过零检测器、零电流切换控制器、脉冲发生器、自动模式选择控制器、采样保持器、导通时间控制器和栅极驱动器，所述峰值检测器的输出端与过零检测器的输出端分别与所述自动模式选择控制器的第一输入端连接，所述零电流切换控制器的输出端与所述自动模式选择控制器的第二输入端连接，所述自动模式选择控制器的第一输出端与所述零电流切换控制器的输入端连接，所述脉冲发生器的第一输出端与所述自动模式选择控制器的第三输入端连接，所述脉冲发生器的第二输出端与所述采样保持器的第一输入端和所述导通时间控制器的第一输入端连接，所述自动模式选择控制器的第二输出端分别与所述采样保持器的第二输入端和所述导通时间控制器的第二输入端连接，所述采样保持器的输出端和所述导通时间控制器的输出端与所述自动模式选择控制器的第四输入端连接，所述自动模式选择控制器的第三输出端与所述栅极驱动器的输入端连接，其中：
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述功率级电路还包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第一输入电容、第二输入电容、输出电容与片外电感，其中，所述第十开关管、所述第十一开关管、所述第十二开关管与所述第十三开关管组成整流器，所述压电换能器与所述整流器连接，所述生物燃料电池与所述热能发电器之间通过所述第二开关管连接，所述生物燃料电池的输出端与所述第三开关管的第一端连接，所述热能发电器的输出端与所述第一开关管的第一端连接，所述第三开关管的第二端、所述第一输入电容的第一端、所述第七开关管的第一端和所述第四开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端、所述第二输入电容的第一端与所述第五开关管的第一端连接，所述第四开关管的第二端、所述第五开关管的第二端、所述第六开关管的第一端、所述片外电感的第一端与所述整流器连接，所述片外电感的第二端、所述第九开关管的第一端、所述第八开关管的第二端与所述第七开关管的第二端连接，所述第九开关管的第二端与所述输出电容的第一端连接，所述第一输入电容的第二端、所述第二输入电容的第二端、所述输出电容的第二端、所述第六开关管的第二端与所述第八开关管的第二端均接地。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述自动模式选择控制器包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、下降沿检测器、脉宽检测器、rs触发器、d触发器、第一数字门、第二数字门、第三数字门、第四数字门、第五数字门、第六数字门、第七数字门与第八数字门，所述第一比较器的第一输出端与所述下降沿检测器的第一输入端连接，所述第二比较器的第一输出端、所述d触发器的第二输入端和所述第五数字门的第一输入端连接，所述d触发器的第一输入端接电源，所述第一数字门的第一输出端与所述第四数字门的第一输入端连接，所述第二数字门的第一输出端与所述第四数字门的第二输入端连接，所述第三数字门的第一输出端与所述第六数字门的第一输入端连接，所述第四数字门的第一输出端与所述第五数字门的第二输入端连接，所述d触发器的第一输出端与所述第七数字门的第二输入端连接、所述下降沿检测器的第一输出端与所述第七数字门的第一输入端连接，所述第七数字门的第一输出端与所述rs触发器的第一输入端连接，所述脉宽检测器的第一输出端与所述rs触发器的第二输入端连接，所述第三比较器的第一输出端与所述第八数字门的第一输入端连接。
5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述导通时间控制器包括第四比较器、第五比较器、第六比较器、第七比较器、第一d触发器、第二d触发器、第九数字门与第十数字门，所述第四比较器的第一输出端与所述第一d触发器的第二输出端连接、所述第五比较器的第一输出端与所述第一d触发器的第三输入端连接，所述第六比较器的第一输出端与所述第二d触发器的第二输出端连接、所述第七比较器的第一输出端与所述第二d触发器的第三输入端连接，所述第一d触发器的第一输出端与所述第九数字门的第一输入端连接，所述第二d触发器的第二输出端与所述第十数字门的第一输入端连接，所述第一d触发器与所述第二d触发器的第一输入端均接电源。
6.基于串联堆叠和预充电的混合能量采集电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述功率级电路的工作模式包括单源模式、双源模式、预充电模式、协同模式和调节模式，所述输入电压信号包括直流源与交流源。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述比较结果确定功率级电路的工作模式，包括：
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括通过串联堆叠环路结构对所述功率级电路进行调节处理，其中，所述串联堆叠环路结构包括所述直流源与片上电感，若所述直流源满足所述负载端功率的最大值且所述负载端功率大于所述负载端功率第二临界值，通过串联堆叠环路结构构成lc谐振回路获取所述生物燃料电池和所述热能发电器产生的能量。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括通过预充电方法对所述功率级电路进行调节处理，其中，若所述负载端功率低于所述负载端功率第一临界值且所述功率级电路的输出电压大于所述功率级电路输出电容电压预设阈值，构建预充电环路，通过所述预充电环路将所述生物燃料电池产生的能量传输至所述功率级电路的输入电容。
