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标题：具有嵌套滞后控制的单电感燃料电池 - 锂离子充电器供电IC
作者：Suhwan Kim, Student Member, IEEE, and Gabriel A. Rincoacute;n-Mora, Fellow,
IEEE School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology
摘要：
微系统必须符合微尺度，存储足够的能量以延长使用期，并提供足够的能力来维持无线和传感器功能。由于电池以低能量密度产生中等功率，因此小型化设备可从Li Ions的燃料电池（FC）和电力中获得能源，而不是依赖于一个来源并超量化以抵消其缺陷。本文提出了一种单电感，双输入双输出（SIDIDO）充电器供应0.5mu;mCMOS IC，具有嵌套滞后控制方案，可从FC中吸取能量，并调节对Li离子充电并供电1 V，1 mA负载。 IC动态调整负载，在轻负载期间从FC充电锂离子，并从FC和Li Ion供电。制造的原型将其输出调节到2.5V的1V，并在30mu;s和50mV内响应上升和下降的0.1-1mA负载转储。由于负载低，转换器工作在连续（而不是不连续）导通状态，并通过有损检测电阻（而不是有义FET）感应其电感电流，以达到32％的效率，从而管理风险和验证功能。
关键词：
单电感器，混合源，开关转换器IC，燃料电池，滞后控制。
一 电池-POWERED微观结构
硅和MEMS技术的进步为智能，非侵入性和电池供电的微型设备铺平了道路，例如无线微型传感器，其对军事，空间，工业和生物医学应用的影响[1] - [3]是 增加功能（例如监控），提高性能（动态控制），降低能源消耗（与现场智能）。 在这样的空间限制下为这些系统供电是具有挑战性的，因为电池不能提供足够的能量以满足其需求，而燃料电池（FC），原子电池和收割机不能产生足够的电力来实现关键功能，如遥测和传感器接口模块。 此外，这些设备必须在空闲和其他状态之间进行模式跳转，以节省能源，从而要求其供应商进行调整和提供不同的负载水平[4] - [5]。
1.混合源：
电力和能源密度在微观来源上并不相关。例如，核电池和功率放大器是能量密集的，但与其他同等尺寸的源相比，供电功率很小[6] - [8]。换句话说，这些技术在提供力量不足的时候比其他技术还要快，但是当超出其能力的时候，它们的效用会快一些。相比之下，锂离子电池储存的能量较少，但产生较高的功率，即在等效空间限制的情况下提供更高的功率时，会产生更高的能量。然而，为了满足能量（或功率）要求，电池（或FC）的过大调整在微型应用中功能上无效。因此，混合互补技术（如FC和Li Ions）在尺寸上提供了相当大的优势[9]，这就是为什么这方面的研究（如便携式[10]和无线传感器[11]）的研究正在进行中。微加工功率因子除了体积小，比李离子节能10倍以上，成本低，消除环保排放[12] - [13]。通过调节和加载微电子来共同制造它们也减少了占用空间要求，从而提高了信号完整性，现在连接越短，寄生电阻和电容越小[14]。功能界别反应缓慢，这是与李离子补充的另一个原因。事实上，使用锂离子供应系统的突发负载并允许FC来源平均功率是优化集成和寿命之间权衡的一种方式[15]。
2.多输入电源电路
管理多个来源意味着在多个输入之间传输和混合能量和电力。在锂离子电池的情况下，当从系统接收电力时，电池既是供电的输入端，也是输出的输出端。集成使事情变得复杂，因为高效电源需要mu;H功率电感器，这在芯片上难以制造。共包装一个2mmtimes;2mmtimes;1mm的片外电感器是可行且实用的，但不超过一个，不包括变压器解决方案[18] - [18]。
任意时间复用单个电感器来管理多个电源和负载并不是最佳的，因为FC例如不能提供高功率，尽管Li Ion可以维持低功率电平，但是Li Ion不会持续就像FC一样。例如，[19] - [20]中的单电感双输入转换器，放弃补偿电池非理想性，有利于适应可能断开的直流电源和间歇式收割机。最终，结合微观来源延长寿命和减小尺寸迫使系统根据其负载状态来管理和引导能量和功率，其功能在现有技术中基本上不存在。
[21]中概念性引入的单电感，双输入双输出（SIDIDO）FC-Li离子充电器供电，在[22]中简要评估，采用嵌套滞后环路根据状态导航两种工作模式的负载。本文通过详细介绍电路和评估原型0.5mu;mCMOS IC的操作和性能进行了扩展。为此，第二部分概述了系统的能量流动路径和相应的反馈控制。第三部分和第四章讨论了晶体管级电路的设计和所获得的实验结果，第五节得出结论。
II。 建议的燃料电池 - 离子充电系统
所提出的系统的目标是从FC获得最大功率，FC可以为FC提供大小的功率，并将其全部或一部分传输到负载，使用超量给电池充电。 因此，系统设计人员分配足够的FC区域来提供系统所需的平均功率，燃油箱的空间以满足所需的寿命，并为Li Ion提供包装体积来充分发挥功率爆发。 因此，系统必须将能量从FC转移到负载和Li离子以及从Li离子到负载。 因此，转换器（只有一个电感器）必须将FC的0.5 - 0.7 V提升到Li Ion的2.7 - 4.2 V（通过图1中的FC-Li离子路径）和1 V的负载（通过 FC负载路径）[23]，并将Li Ion的2.7 - 4.2 V降压至1 V（通过Li离子负载路径）的负载。
图1 提出功率级的能量流（路径）图
注意，消除FC负载路径（并允许Li Ion提供所有负载水平）是可能的，但不是最佳的，因为（i）FC在轻负载期间超过Li Ion，并且（ii）转换器在调节时引起更多的功率损耗FC电源充电锂离子和锂离子电源供应负载。因此，转换器的集成开关为电感器LE通电
根据负载的需要，通过FC或Li Ion，随后通过分离和交替的能量流路径将其断电到负载或Li离子中。
1.电动搅拌机
转换器通过滞后控制将LE的当前iL调节为两个预定义目标之一：IFC或ILI，具体取决于LE吸收能量的来源。 IFC足够小（0.5mA），以避免FC的膜电极组件超过其额定值（用于过载保护）并足够高以减少通过膜损失的燃料的百分比作为泄漏（用于负载匹配）[24] - [ 26。 ILI高于2.5 mA，以提供小型燃料电池不能承受的较重载荷。换句话说，LE几乎可以像0.5或2.5 mA电流源一样工作。从机械的角度来看，FC的膜应该足够宽，以满足负载的平均需求（如IFC）和Li Ion足够大以至于不能完全充电。如果LiIon完全充电，iO为零，则充电器供电必须关闭;但是为了证明概念，原型不包括这种形式的保护。
在轻负载时，系统仅从FC导出功率，因此电路将iL调节为参考IFC，平均FC功率PFC等于IFCVFC。由于PFC在轻负载模式（LLM）中超过了输出功率PO，所以控制器分配（即分时）PFC以提供负载并对Li Ion进行充电，负载水平iO决定PFC的几个部分进入电池。从图中可以看出， 2表示发送到负载的PFC的分数（作为负载FC比率rLD / FC），与FC提供负载的时间长度不同，或者说不同的是，FC连接到负载的频率。因此，当iO为零时，rLD / FC为零（图2），因此系统与负载断开连接并将所有PFC引导到电池中。随着iO的增加，转换器提高了连接比率rLD / FC，以将PFC的一部分增加到负载中（并减少电池的份额）：
图2负载的功率（连接）比率
当iO的电源PO超过PFC（过去的转换阈值ITR，在rLD / FC达到1）之后，转换器通过用平均锂离子电力PLI增加PFC进入重负载模式（HLM）。 由于平均功率水平PFC和PLI的总和必须在HLM中维持PO，所以随着iO增加超过ITR，供电从电池中更频繁地吸取能量（因此平均功率PLI增加）。 因此，Li离子负载（和连通性）比rLI / LD.H（由图2中的虚线示出）随iO增加（随着FC负载比rFC / LD.H降低）：
提高rLI / LD.H会降低FC与负载的连接性，因此FC负载比rFC / LD.H为rLI / LD.H的补码。 注意瞬时功率ILIVLI设置转换器的最大输出功率，当rLI / LD.H为1时，转换器仅从Li Ion吸取能量时发生。
电路
滞后比较器CMPV在图1中。 3通过在fO.SW（系统的切换频率）下将vO转换到VO.REF并将其调节到当前的源（LE）到或远离vO。 对于CMPV的反馈回路，LE实际上是电流源，因为比较器CMPI以高于fO.SW的开关频率fI.SW调节iL。 根据负载水平，模式比较器CMPM决定是从FC还是从FC和Li Ion中抽出iL。 RS和VI.REF最终将iL的调节目标设定为IFC（当从FC获取能量时）和ILI（当从Li Ion导出iL时）。 注意IFC低于ILI，因为FC无法为Li Ion提供电源。
图。 3提出的充电器供电系统的系统级原理图
功率阶段：轻载时，切换图6所示功率级的SFC。 3保持闭合，SFC.E从FC激励电感器LE，而SO和SLI.CHG将LE断开为vO和Li Ion。类似地，当来自FC的负载过大和能量消耗时，SFC保持闭合，SFC.E通过FC激励LE，同时将LE关闭到vO。当从Li Ion吸取能量时，SO保持关闭，SLI.E从Li Ion和SLI.E激发LE，DE将LE切断为vO。
迟滞电流控制：LC滤波器在频率响应中引入复数共轭极点，如果不正确处理，则会损害系统的稳定性。将对减少为单个主极的常规手段是将电感器电流iL调节超过系统的开关频率fSO.SW，使得电感器LE的功能类似于fO.SW下的电流源[27]。以类似的方式，所提出的转换器使用滞后控制来调节iL到IFC和ILI，当从FC和Li Ion分别以超过系统fO.SW的开关频率fI.SW获取能量时。
为了调节iL，串联电阻RS感测iL以产生vI，放大器AI然后放大vI以产生vIA，并且滞后比较器CMPI将VIA与当前参考VI.REF进行比较，以调节CMPI滞后窗口内的vIA（图3）。 CMPI的输出vI.SW然后确定控制逻辑实现的开关的连接性。 CMPI的滞后和iL的上升和下降率（由LE，VFC，VLI和VO设置）建立电流回路（fI.SW）和iL的峰值电流iL（PEAK）的开关频率，其中fI.SW超过fO。 SW和iL（PEAK）低于FC的额定极限。 CMPI在图1中建立滞后。 4具有固有的传播延迟。换句话说，当我们iL超过目标IFC（连接到FC）时，CMPI感觉到，在上升延时tP.R（〜0.1mu;s）之后，其输出vI.SW提示控制器结束通电周期，使iL达到峰值在国际金融公司（MAX）。类似地，CMPI检测到IL低于IFC，并且在下降延迟tP.F（〜0.1mu;s）之后，当iL达到IFC（MIN）时，CMPI跳闸。如果tP.F长到iL低于零，CFC会吸收反向电流，并且系统继续正常运行，只要iL的平均值保持在零以上。注意，使用tP.R和tP.F设置电流纹波Delta;iL不准确，这样做会产生小的纹波，这对于保持PFC稳定很重要。
图。 4通过FC负载路径的电感电流纹波
嵌套迟滞输出电压控制：每种工作模式都引导电感能量来调节输出电压vO，以在迟滞窗口（Delta;VO）内引用VO.REF。 在LLM中，当转换器将PFC引导到vO时，vO上升到上限窗口，当LE断开（系统对Li Ion充电）时，vO将下降到下限。 类似地，当转换器为锂离子电源PLI提供负载时，HLM中的vO升高，而使用FC功率PFC时（由于PFC低于设计的PLI），所以升高。 迟滞比较器CMPV在CMPV的滞后窗口Delta;VO内感应并调节vO至VO.REF（图5）。 为此，CMPV的输出vO.SW设置了LL在LLM（作为负载FC功率和连接率rLD / FC）中的能量转换为vO的频率，并从HLM中的Li Ion激发（作为Li离子负载功率和连接 比率rLI / LD.H）。
图。 5在轻负载模式下调节输出的嵌套滞后窗口
具有更宽的滞后窗口Delta;VO.M，CMPM检测vO以确定哪种操作模式为断言。 如果PFC不足以满足负载，则iO将vO调至CMPM的下限，提示转换器（使用vMODE）进入HLM。 相反，当转换器产生比所需的更多功率时，多余的功率将vO拉至CMPM的上限，触发vMODE将转换器强制为LLM。 注意，当稳定状态下，vO保持在较小的滞后窗口Delta;VO内，并且当iO超过边界极限ITR时，其仅延伸超过Delta;VO至Delta;VO.M，导致图2所示的嵌套滞后。 5和vO对图1中0.1-1mA负载转换的响应。6。
图。 6轻载和重负载模式以及上升和下降负载转储转换过程中的时域输出电压，负载电流和模式电压波形
开关控制逻辑：CMPI，CMPV和CMPM的二进制输出vI.SW，vO.SW和vMODE确定所有NMOS（SFC，SO，SFC.E，SLI.DE）和PMOS（SLI.E， SLI.CHG）切换到功率级。例如，在调节iL时，CMPI在fI.SW上下翻转vI.SW以激励和断电LE。 CMPM和CMPV以较低频率fO.SW切换，以确定从哪个源LE应该吸收能量并输出LE应该引导它。为此，CMPM将vMODE转换为高电平，将系统置于LLM中，这意味着LE从FC中获取能量（SFC保持关闭）。在这种模式下，CMPV的vO.SW的低电平状态会提示类似boost的开关SFC.E和SO，以将LE（从fI.SW）供电和断开，从FC进入vO。高状态类似地命令升压型开关SFC.E和SLI.CHG来激励和引导LE的能量（fI.SW）从FC进入锂离子。当CMPM的vMODE为低电平时，系统进入HLM，其中CMPV的vO.SW的低电平状态提示SO和降压型开关SLI.E和SLI.DE从Li（从fI.SW）通电和断电离子进入vO。这里的高电平状态会引起SFC和升压型开关SFC.E和SO，以将LE（从fI.SW）供电和断电，从FC进入vO。表1总结了刚刚描述的布尔形式的操作。
表1
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