本发明涉及微电子，具体涉及一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路。
背景技术：
1、目前，物联网技术的发展，对电力技术提出了更高的要求，电力需求呈现出分布广泛、数量众多、功率较小以及无线等特点。传统电网供电稳定高效，但分布集中，灵活性不足，既不经济，也不利于维修。电池供电便捷，但电池容量限制了传感器的寿命，维护成本高。分布式能源能有效满足未来传感器的电能需求。如摩擦纳米发电机可减少了传感器对传统能源(如化学电池)的依赖和维护成本，延长电子产品的使用寿命，并最大限度地减轻了环境污染。此外，摩擦纳米发电机具有成本低、体积小、重量轻、转换效率高等特点，应用前景可观。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerators，teng)具有非线性的容性内部特征和低频工作特点，器件输出的高电压(kv)、低电流(μa)、高内阻(gω)，不能直接适用于低压的小型电子设备，因此，电源管理单元不可或缺。为提高摩擦纳米发电机的能量管理效率，现已提出了多种摩擦电能收集技术。现有技术可分为电感式和电容式管理策略，电感式管理策略包括电感同步开关收集技术、反激式变压器收集技术(flyback converter)，基于降压(buck)电路的最大功率点追踪(maximum power point tracing,mppt)技术，这些技术都依赖大体积的电感器，基于lc振荡提取能量，常用电感量达到毫亨级(mh)，不利于集成化。电容式管理技术的难点是电源电容(pa～na)和储能电容(uf～mf)之间极大的阻抗失配,直接充电的效率并不理想。电容匹配时，才能达到最大化的效率输出。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，以克服上述现有技术中的不足。
2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，包括摩擦纳米发电机teng、整流器、开关电容变换器、控制电路和储能器；控制电路包括峰值检测电路和开关信号产生电路；
3、摩擦纳米发电机teng的输出端与整流器的输入端相连，整流器的输出端通过开关电容变换器与储能器的输入端连接，峰值检测电路的输入端连接于整流器和开关电容变换器之间，峰值检测电路的输出端通过开关信号产生电路与开关电容变换器的输入端连接。
4、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
5、进一步，开关电容变换器包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8、二极管d9、二极管d10、二极管d11、二极管d12、二极管d13、二极管d14、二极管d15、二极管d16、二极管d17、pmos管p1、nmos管n1、nmos管n2、nmos管n3、nmos管n4、nmos管n5以及nmos管n6，其中，电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6的电容值均为c0。
6、进一步，整流器的直流正极输出端与二极管d1的正极端、二极管d15的负极端、电容c1的第一端以及峰值检测电路连接，整流器的直流负极输出端与pmos管p1的漏极连接；
7、二极管d1的负极端与二极管d2的正极端和储能器的第一端连接；
8、二极管d2的负极端与电容c6的第一端、二极管d3的正极端以及二极管d4的负极端连接；
9、二极管d3的负极端与二极管d6的正极端、二极管d7的负极端以及电容c5的第一端连接；
10、二极管d6的负极端与二极管d9的正极端、二极管d10的负极端以及电容c4的第一端连接；
11、二极管d9的负极端与二极管d12的正极端、二极管d13的负极端以及电容c3的第一端连接；
12、二极管d12的负极端与二极管d15的正极端、二极管d16的负极端以及电容c2的第一端连接；
13、电容c1的第二端与二极管d16的正极端、二极管d17的负极端以及nmos管n2的漏极连接；
14、nmos管n2的源极与二极管d17的正极端、二极管d14的负极端、二极管d13的正极端、电容c2的第二端以及nmos管n3的漏极连接，nmos管n2的栅极与nmos管n3的栅极连接；
15、nmos管n3的源极与二极管d14的正极端、二极管d11的负极端、二极管d10的正极端、电容c3的第二端以及nmos管n4的漏极连接，nmos管n3的栅极与nmos管n4的栅极连接；
16、nmos管n4的源极与二极管d11的正极端、二极管d8的负极端、二极管d7的正极端、电容c4的第二端以及nmos管n5的漏极连接，nmos管n4的栅极与nmos管n5的栅极连接；
17、nmos管n5的源极与二极管d8的正极端、二极管d5的负极端、二极管d4的正极端、电容c5的第二端以及nmos管n6的漏极连接，nmos管n5的栅极与nmos管n6的栅极连接；
18、nmos管n6的源极与二极管d5的正极端、电容c6的第二端以及nmos管n1的源极连接；
19、储能器的第二端与nmos管n1的漏极连接；
20、摩擦纳米发电机teng的交流电vt经整流器和开关电容变换器转换为直流电vr进入峰值检测电路。
21、进一步，pmos管p1的源极接地；nmos管n1的源极接地。
22、进一步，整流器为全桥整流器，整流器包括二极管d18、二极管d19、二极管d20以及二极管d21；摩擦纳米发电机teng的正极端分别与二极管d18的正极端和d21的负极端链接，摩擦纳米发电机teng的负极端分别与二极管d19的正极端和二极管d20的负极端链接；
23、二极管d18的负极端和二极管d19的负极端均与二极管d1的正极端、二极管d15的负极端以及电容c1的第一端链接；
24、二极管d21的正极端和二极管d20的正极端均与pmos管p1的漏极连接。
25、进一步，峰值检测电路包括依次串联的有源微分、比较器和d触发器；
26、有源微分的输入端与整流器的直流正极输出端连接，整流器的直流正极输出端依次经过电阻r1和电容c7，并连接运算放大器的负极输入端；运算放大器的正极输入端通过电阻rb接地；
27、运算放大器的输出端vdif与负极输入端的反馈回路由电阻r2、电容c8并联组成；
28、比较器的输出端vcom连接d触发器的cp端，d触发器的q端输出vm，d触发器的clr端通过并联的电阻r3和二极管d22与d触发器的q端连接，电阻r3、二极管的正极端以及d触发器的crl端通过电容c9接地。
29、进一步，开关信号产生电路包括不可重复单稳态触发器、可重复单稳态触发器、第一选择器、第二选择器、反相器、延时模块、或门和第三选择器；
30、不可重复单稳态触发器和可重复单稳态触发器的输入端连接d触发器的q端，不可重复单稳态触发器的输出端连接第一选择器，第一选择器的选择端输出nmos管n2～nmos管n6的开关时序θ3；
31、可重复单稳态触发器的输出端连接反相器的输入端和延时模块的输入端，反相器的输出端连接第二选择器，第二选择器的选择端输出pmos管p1的开关时序θ1；
32、延时模块的输出端连接或门的输入端，或门的输出端连接第三选择器，第三选择器输出nmos管n1的开关时序θ2。
33、进一步，延迟模块包括电阻rd、电容cd、非门和或非门；非门的输出端通过电阻rd连接或非门的一个输入端和电容cd的第一端，可重复单稳态触发器的输出端与或非门的另一个输入端和非门的输入端连接；电容cd的第二端接地，或非门的输出端与或门的输入端连接。
34、进一步，pmos管p1、nmos管n1、nmos管n2、nmos管n3、nmos管n4、nmos管n5以及nmos管n6均采用金属-氧化物半导体场效应晶体管。
35、本发明的有益效果是：本发明的基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，实现阻抗匹配、降压、电荷量倍增，且不需要大电感或变压器，有效提高了能量收集效率；
36、第一点，同步开关集成技术能够将摩擦纳米发电机中的每周期所积累的能量完全转移至负载，即可实现最大能量输出循环(cycle for maximized energy output，cmeo)，且输出功率与负载无关；
37、第二点，开关时序使用深耗尽技术，在开关断开时提供栅极-源极两端的负压，防止开关漏电，从而减小电路系统的静态功耗；
38、第三点，开关电容变换器能实现阻抗匹配、电荷倍增、电压下降，可应用于低压储能单元，满足当前低压传感器的需求，具备实用性；
39、第四点，以往基于开关电容变换器的电路中，开关电压无初始电压，导致摩擦纳米发电机对其充电时，能量损耗大；此方案令储能器给开关电容并联充电，使开关电压带有初始电压，可以减小充电过程中的能量损耗，提高能量转移效率；本方案灵活性高，实用性强，适用于各类型的摩擦发电机，电路结构简单，实现成本低，可广泛应用到摩擦电的应用领域；
40、本发明权衡电路面积与收集效率，采用同步电荷提取技术，实现了基于开关电容变换器的高压摩擦电能收集系统的收集方案，解决现有电容式能量管理策略效率不高的问题；具体电路采用电子开关实现峰值检测，实用性强；开关电容器带有初始电压，减少充电过程中的能量损耗；设计了开关深耗尽技术减少电路损耗，保证无线传感节点可以长期稳定运行；本发明整体结构简单、电路损耗低、实用性强、应用范围广泛。
1.一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，其特征在于，包括摩擦纳米发电机teng、整流器、开关电容变换器、控制电路和储能器；所述控制电路包括峰值检测电路和开关信号产生电路；
2.根据权利要求1所述的一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，其特征在于，所述开关电容变换器包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8、二极管d9、二极管d10、二极管d11、二极管d12、二极管d13、二极管d14、二极管d15、二极管d16、二极管d17、pmos管p1、nmos管n1、nmos管n2、nmos管n3、nmos管n4、nmos管n5以及nmos管n6，其中，电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6的电容值均为c0。
3.根据权利要求2所述的一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，其特征在于，所述整流器的直流正极输出端与所述二极管d1的正极端、所述二极管d15的负极端、所述电容c1的第一端以及所述峰值检测电路连接，所述整流器的直流负极输出端与所述pmos管p1的漏极连接；
4.根据权利要求3所述的一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，其特征在于，所述pmos管p1的源极接地；所述nmos管n1的源极接地。
5.根据权利要求2所述的一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，其特征在于，所述整流器为全桥整流器，所述整流器包括二极管d18、二极管d19、二极管d20以及二极管d21；所述摩擦纳米发电机teng的正极端分别与所述二极管d18的正极端和所述d21的负极端链接，所述摩擦纳米发电机teng的负极端分别与所述二极管d19的正极端和所述二极管d20的负极端链接；
6.根据权利要求1所述的一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，其特征在于，所述峰值检测电路包括依次串联的有源微分、比较器和d触发器；
7.根据权利要求2所述的一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，其特征在于，所述开关信号产生电路包括不可重复单稳态触发器、可重复单稳态触发器、第一选择器、第二选择器、反相器、延时模块、或门和第三选择器；
8.根据权利要求7所述的一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，其特征在于，所述延迟模块包括电阻rd、电容cd、非门和或非门；所述非门的输出端通过电阻rd连接所述或非门的一个输入端和所述电容cd的第一端，所述可重复单稳态触发器的输出端与所述或非门的另一个输入端和所述非门的输入端连接；所述电容cd的第二端接地，所述或非门的输出端与所述或门的输入端连接。
9.根据权利要求2所述的一种基于开关电容变换器的高压摩擦电能量管理电路，其特征在于，所述pmos管p1、nmos管n1、nmos管n2、nmos管n3、nmos管n4、nmos管n5以及nmos管n6均采用金属-氧化物半导体场效应晶体管。
