智慧型直流電源轉換電路與功率管理(I)

Abstract

在今日的技術層面中無線通訊(wireless communication)及可攜性裝置(potable device) 為大眾所需求，因此低功率設計就變成非常地重要。隨著低功率的設計的蓬勃發展，我 們甚至可以利用到外界的能量當作我們整個系統的能量來源，亦即所謂的綠色能源 (green energy)。利用綠色能源當作我們系統能量的供應意味著此系統是一個永續操作的 系統，因此如何轉換以及管理此微量的綠色能源就成為此系統核心的問題，所以我們的 研究將提出一個智慧型的直流電源轉換電路，把電源管理理論實現於此永續操作的系統 中，使得此系統能夠在最有效率的情況下從外界綠色能源中得到一個穩定的電源供應。 微機電發電機(the generator of microelectromechanical systems) 所產生的能量大約 是在100μW 範圍，我們可以使用整流器(rectifier)和直流-直流電源轉換器(DC-DC converter)有效率地轉換出所需要的穩定輸出電壓。目前直流-直流電源轉換器的設計方 式有交換式直流-直流電源轉換器、整流式電荷灌入式(regulated charge pump)。考量永 續操作系統需要高效率能量轉換(high efficiency)、低靜態電流(low quiescent current)、高 系統整合(high system integration)、以及低雜訊干擾(low noise)因素之下，一般綠色能源 系統都採用交換式直流-直流電源轉換器，雖然雜訊上交換式設計比較大，但在系統電 路設計中若採用抗雜訊設計則可減輕此高雜訊影響，因此，此計畫的研究方向也將設計 出極低雜訊(ultra-low noise)的交換式直流-直流電源轉換器作為此永續操作系統電源轉 換的基本架構。 本計畫要提出的是要建立一個智慧型電源管理理論，根據永續操作系統中數位訊號 處理的頻率和直流電源轉換電路中的調變的頻率之間變化關係、系統能源使用效率、負 載的變化、儲存能量的多寡、決定是在那一種調變技術操作，然則在交換式直流-直流 電源轉換器設計上有脈波寬度調變PWM (pulse width modulation) 和脈波頻率調變PFM (pulse frequency modulation) 兩種方式。根據輸出負載電流的大小，切換調變方式在脈 波寬度調變或脈波頻率調變，當負載輕時操作在脈波頻率調變，負載重時操作在脈波寬 度調變，使得電源轉換效率最佳化。再以Buck 或Boost 的電路轉換操作，輸出最佳化 的0.9V 至1.6V 動態穩定電壓輸出，以確保由微機電發電機轉換至系統能量和多餘能量 儲存的功率管理效率的最佳化。