CN103580290A - 微能量采集控制电路 - Google Patents

Abstract

一种微能量采集控制电路，包括：控制器、输入采样模块、一级储能模块、二级储能模块、输出控制模块及电压输入端；输入采样模块，用于检测电压输入端的输入电压；控制器，根据输入电压小于第一预设值时，控制电压输入端向一级储能模块供电，或输入电压大于第一预设值时，控制电压输入端向二级储能模块供电，并相应地控制一级储能模块或二级储能模块上的电能输出。本发明采用分级蓄能方式，由控制器按照输入电压等级不同将能量存储在不同的存储模块内，实现分时式供电的方法把采集的电能供给用电设备，对采集到能源进行合理分配存储及输出，最大限度的减少了元件能耗，实现了微能量高效存储转化，有利于微能量采集技术在无电源产品中的适用。

Description

微能量采集控制电路

技术领域

本发明涉及能源技术领域，具体涉及一种微能量采集控制电路。

背景技术

采集的目的是把能量利用起来，尽可能的让芯片工作时间久一点， 采集环境中的压力，震动，光，热的微弱能量转化为电能，给遥控器，传感器等小设备供电，它是一种微弱环境能量的采集方法。目前已经存在微弱环境能量的采集方法，但在实际应用中并不理想。

任何形式的能量收集转换，多有以下2个的耗损：

1.元器件本身的耗损；

2.电->磁->电转换的耗损。

而这2个耗损是个常量，当输入的电量很微弱时，能量基本就损耗消耗在这2个耗损上，基本就没有输出的电了。这就是导致现有的微弱能量到的能量很少的原因，几乎难以作为实际使用。这些微弱的能量大多是以电荷的形式存在于器件的表面，比如震动或压力施压于压电陶瓷片的表面时，电荷的电压随形变的大小而变化，然而电流极其微小，无法正常用于驱动芯片进行工作，由于电压的方向随形变方向变化而变化，首先我们把这个电压通过一个低压差，低耗损的整流后变成单方向的电压。这一方面如果处理不好的话，能量会损失20%-60%。在加上元器件本身的耗损，几乎不能用于实际用途。

整流后的能量是电压高，电流很小，而且变化很剧烈的一个电压源，把他直接给芯片供电，很容易击坏芯片，而且是时断时续的，根本没法让用电设备正常工作起来。

发明内容

本发明提供一种微能量采集控制电路，能够提高电路中能量存储转换效率，以解决上述问题。

本发明实施例提供的一种微能量采集控制电路，包括：控制器、输入采样模块、一级储能模块、二级储能模块、向用电设备供电的输出控制模块及用于接入微能量采集电路提供的电能的电压输入端；输入采样模块，用于检测电压输入端的输入电压；控制器，用于根据输入电压小于第一预设值时，控制电压输入端向一级储能模块供电，或输入电压大于第一预设值时，控制电压输入端向二级储能模块供电，并相应地控制输出控制模块将一级储能模块或二级储能模块上的电能输出至用电设备。

优选地，输入采样模块包括第一电阻和第二电阻，电压输入端依次经过第一电阻、第二电阻接地，第二电阻上的分压输出至控制器。

优选地，一级储能模块包括第一MOS管及第一储能电容，第一储能电容一端接地，控制器控制第一MOS管连接或断开电压输入端与第一储能电容的另一端，第一储能电容将存储的电能输出至输出控制模块。

优选地，二级储能模块包括：第二MOS管、第二储能电容及储能电感，第二储能电容一端接地，控制器控制第二MOS管连接或断开电压输入端与第二储能电容的另一端，第二储能电容的所述另一端通过储能电感对外输出。

优选地，还包括三级储能模块，三级储能模块包括第三MOS管及整流二极管，第三MOS管的栅极和漏极形成开关通道连接在二级储能模块输出端与接地端之间，控制器根据输入电压大于第二预设值时启动二级储能模块且向第三MOS管栅极输出PWM信号，第二预设值大于第一预设值，整流二极管用于二级储能模块的输出端向输出控制模块单向供电。

优选地，输出控制模块包括第四MOS管，控制器控制第四MOS管连接或断开一级储能模块输出端与用电设备。

优选地，二级储能模块输出端通过所述整流二极管直接向用电设备供电。

优选地，还包括用于采集输出控制模块的输出端电压并反馈至控制器的输出采样模块，控制器根据输入采样模块和输出采样模块的输出电压获得微能量采集控制电路的最大功率点追踪，并根据最大功率点追踪控制一级储能模块、二级储能模块或三级储能模块工作。

优选地，输出采样模块包括第三电阻和第四电阻，输出控制模块的输出端依次经过第三电阻和第四电阻接地，第四电阻上的分压输出至控制器。

上述技术方案可以看出，由于本发明实施例采用分级蓄能方式，由控制器按照输入电压等级不同将能量存储在不同的存储模块内，实现分时式供电的方法把采集的电能供给用电设备，对采集到能源进行合理分配存储及输出，最大限度的减少了元件能耗，实现了微能量高效存储转化，有利于微能量采集技术在无电源产品中的适用，方便了人们的生活需要，提高人们的生活品质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

 

图1是本发明实施例中微能量采集控制电路的结构框图；

图2是本发明实施例中微能量采集电路的部分电路原理图；

图3是本发明实施例中微能量采集控制电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

本发明实施例提供一种微能量采集控制电路，如图1及图2所示，包括：控制器、输入采样模块、一级储能模块、二级储能模块、向用电设备供电的输出控制模块及用于接入微能量采集电路提供的电能的电压输入端，电压输入端向控制器供电，便于电压输入端处一有电压即对控制器上电，使其能够良好运行。

为了进一步提升能量转换存储效率，本发明实施例中还包括三级储能模块，三级储能模块由控制器控制，与二级储能模块共同形成一个开关电源电路，例如boost电路，能够适应能量较大一些的微能量采集存储，以增强能量转换存储效率。

首先，需要了解的是，微能量采集电路在现有技术中已经出现，本发明实施例中为了更好的理解本技术方案，以采集压电膜上的微能量为例，在其他实施例中若出现温差产生微能量、震动产生的微能量等仍然适用本发明实施例中的微能量采集控制电路，即本发明实施例中的电路用于微弱能量的有效转化存储并经合理分配后输出至用电设备。当压电膜受到压力时，会在压电膜两级产生电压，图2中接线端CON2即可电性连接该压电膜两级，以接收由压力产生的微能量，实际中按压遥控器按键或其他设备的按键即为此种情况，当压力转换为微弱的电压输出到接线端CON2时，该电压相对于电流较大，而且波动剧烈，因此在本发明实施例中增加了由肖特基二极管构成的整流桥BD1，由于肖特基二极管的能耗低，正向阻值小，反向隔离性好，因此，在整流过程中会尽可能降低能耗，接线端CON2的电压经过整流桥BD1后，经过一滤波电容C1滤除干扰信号，然后经一隔离二极管D1向一蓄能电容C2预充电，蓄能电容C2上的电压施加在本实施例的微能量采集控制电路的电压输入端VCC，为了进一步稳定电压输出端VCC处的电压，本实施例中电压输入端VCC经过一稳压管D3接地。

本发明实施例中控制器采用低功耗的单片机芯片U1，输入采样模块主要用于使控制器能够及时获得微能量采集电路上采集电能的电压大小，以便于后续启动相应能级的存储模块，输出采样电路的实现方式在本应于技术人员来说可以通过多种电路结构实现，但本发明实施例中为了进一步节约能源，采用结构简单，能耗低的低阻分压采样电路，即输入采样模块包括第一电阻R5和第二电阻R6，电压输入端VCC依次经过第一电阻R5、第二电阻R6接地，第二电阻R6上的分压输出至控制器（单片机芯片U1）。

由上述内容可以知道，由于微能量的产生带有无规律性，其产生的电压存在剧烈波动，则本发明实施例中单片机芯片U1需要通过输入采样模块上实时采集电压输入端VCC处的电压值（采集后反应在第二电阻R6上），并根据不同的电压等级来区别不同的能级，并相应的配置了一级储能模块、二级储能模块和三级储能模块来实现不同能级微能量的存储。

具体来说，一级储能模块用于存储转换第一能级的微能量，二级存储转换用于存储第二能级的微能量，三级储能用于存储转换第三能级的微能量，其中，第一能级、第二能级、第三能级依次提高。本发明实施例中以电压输入端VCC处的电压高低来分配能级，处理过程快速，电路实现简单，当控制器检测到电压输入端VCC的输入电压小于第一预设值时，则可以判断当前微能量能级处于第一能级，则控制电压输入端向一级储能模块供电，若控制器检测到电压输入端VCC的输入电压大于或等于第一预设值且小于第二预设值时，则可以判断当前微能量能级处于第二能级，控制电压输入端向二级储能模块供电，此时一级储能模块与电压输入端VCC之间是断开的。当控制器检测到电压输入端VCC的输入电压大于或等于第二预设值时，启动二级储能模块且向第三MOS管栅极输出PWM信号，由于微能量处于第三能级，其能量相对于第一能级和第二能级都高，完全能够满足采用PWM调制的方式控制输出，能够满足较大的功率输出，适用于双向通信的控制设备。第一预设值和第二预设值可以根据实际需要来设置，例如：在压电膜的微能量采集环境中，第一预设值设置为1.8V，第二预设值设置为2.5V。本领域技术人员可以根据不同的微能量采集环境对第一预设值和第二预设值进行设置。

本发明实施例中微能量采集控制电路的具体实现参见图3中的电路原理图。其中，一级储能模块包括第一MOS管Q1及第一储能电容C3，第一储能电容C3一端接地，单片机芯片U1（控制器）控制第一MOS管Q1连接或断开电压输入端VCC与第一储能电容C3的另一端，第一储能电容C3将存储的电能输出至输出控制模块，该输出控制模块包括第四MOS管Q4，单片机芯片U1控制第三MOS管Q4连接或断开一级储能模块输出端（第一储能电容C3的所述另一端）与用电设备，第四MOS管Q4的栅极经过电阻R4连接在单片机芯片U1上。

二级储能模块包括：第二MOS管Q2、第二储能电容C4及储能电感L1，第二储能电容C4一端接地，单片机芯片U1控制第二MOS管Q2连接或断开电压输入端VCC与第二储能电容C4的另一端，第二储能电容C4的所述另一端通过储能电感L1对外输出。

三级储能模块包括第三MOS管Q3及整流二极管D2，第三MOS管Q3的栅极和漏极形成开关通道连接在二级储能模块输出端(储能电感L1对外输出的一端)与接地端之间，单片机芯片U1根据输入电压大于第二预设值时启动二级储能模块且向第三MOS管栅极输出PWM信号，第二预设值大于第一预设值，整流二极管D2用于二级储能模块的输出端向输出控制模块单向供电，即储能电感L1对外输出的一端经过整流二极管D2输出到输出控制模块，由于本实施例中输出控制模块对二级储能的输出未进行限制，因此二级储能模块输出端通过所述整流二极管D2直接向用电设备供电，相当于该输出控制模块采用导线将二级储能模块或三级储能模块的能量输出至用电设备。

当单片机芯片U1通过输入采样模块检测到电压输入端VCC处的电压小于1.8V时，则单片机芯片U1通过电阻R1控制第一MOS管导通，电压输入端VCC与第一储能电容C3连通，蓄能电容C2将能量一次性充入到第一储能电容C3，单片机芯片U1再控制第四MOS管Q4导通，则第一储能电容C3则向用电设备供电；当单片机芯片U1通过输入采样模块检测到电压输入端VCC处的电压大于或等于1.8V且小于2.5V时，需要启动二级储能模块进行更大容量的能量存储，则单片机芯片U1通过电阻R2控制第二MOS管导通，电压输入端VCC与第二储能电容C4和储能电感L1连通，第二储能电容采用大容量的电容，能够存储的电量大于第一储能电容，而且储能电感也能够存储一定电量，并且直接向用电设备供电；当单片机芯片U1通过输入采样模块检测到电压输入端VCC处的电压大于或等于2.5V时，则能够满足更大的功率输出，此时，单片机芯片U1通过电阻R3向第三MOS管的栅极发送PWM信号，则第二储能电容C4、储能电感L1、第三MOS管及整流二极管D2共同构成了一boost电路，向用电设备提供功率较大的输出。由此，本发明实施例实现了能量的分级存储机制，使得微能量存储转换更合理，更注重效率。

为了能够进一步的对能量存储转换进行合理分配，本发明实施例中还包括用于采集输出控制模块的输出端VOUT电压并反馈至控制器（单片机芯片U1）的输出采样模块，本实施例中依然采用能耗低且结构简单的低阻分压采样电路，即输出采样模块包括第三电阻和第四电阻，输出控制模块的输出端依次经过第三电阻和第四电阻接地，第四电阻上的分压输出至控制器。控制器根据输入采样模块和输出采样模块的输出电压获得微能量采集控制电路的最大功率点追踪，可以理解，本发明实施例中微能量采集控制电路的电流较为微弱，可以视为一常量，则本发明实施例中实现最大功率点追踪（MPPT）只需要由输入采样模块和输出采样模块分别采集的电压即可确定，随后根据最大功率点追踪控制一级储能模块、二级储能模块或三级储能模块工作。

我们可以把输入的能量强度定义为3级，这是一个单位时间内产生的能量的单位，用库伦/秒作为单位，当产生的能量在小于1库伦/秒时使用等级1，大于1库伦且小于5库伦/秒时为等级2，大于5库伦/秒时为等级3，当然在实际处理过程中等级分配需要根据实际的情况进行调整，以便达到最佳工作点。控制器可以根据当前微能量的等级来决定通过那一能级的储能模块工作，实现能量存储转换的合理分配。例如，控制器由MPPT跟踪到输入能量为3库伦/秒时，则该等级的能量适用三级储能模块的电量输出，则会自动控制二级储能模块进行工作，能量直接存储在二级储能模块的第二储能电容和储能电感内，并直接对用电设备输出。

以上对本发明实施例所提供的一种微能量采集控制电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.微能量采集控制电路，其特征在于，包括：控制器、输入采样模块、一级储能模块、二级储能模块、向用电设备供电的输出控制模块及用于接入微能量采集电路提供的电能的电压输入端，电压输入端向控制器供电；

输入采样模块，用于检测电压输入端的输入电压；

控制器，用于根据输入电压小于第一预设值时，控制电压输入端向一级储能模块供电，或输入电压大于第一预设值时，控制电压输入端向二级储能模块供电，并相应地控制输出控制模块将一级储能模块或二级储能模块上的电能输出至用电设备。

2.如权利要求1所述的微能量采集控制电路，其特征在于，输入采样模块包括第一电阻和第二电阻，电压输入端依次经过第一电阻、第二电阻接地，第二电阻上的分压输出至控制器。

3.如权利要求1所述的微能量采集控制电路，其特征在于，一级储能模块包括第一MOS管及第一储能电容，第一储能电容一端接地，控制器控制第一MOS管连接或断开电压输入端与第一储能电容的另一端，第一储能电容将存储的电能输出至输出控制模块。

4.如权利要求1所述的微能量采集控制电路，其特征在于，二级储能模块包括：第二MOS管、第二储能电容及储能电感，第二储能电容一端接地，控制器控制第二MOS管连接或断开电压输入端与第二储能电容的另一端，第二储能电容的所述另一端通过储能电感对外输出。

5.如权利要求1或2或3或4所述的微能量采集控制电路，其特征在于，还包括三级储能模块，三级储能模块包括第三MOS管及整流二极管，第三MOS管的栅极和漏极形成开关通道连接在二级储能模块输出端与接地端之间，控制器根据输入电压大于第二预设值时启动二级储能模块且向第三MOS管栅极输出PWM信号，第二预设值大于第一预设值，整流二极管用于二级储能模块的输出端向输出控制模块单向供电。

6.如权利要求5所述的微能量采集控制电路，其特征在于，输出控制模块包括第四MOS管，控制器控制第四MOS管连接或断开一级储能模块输出端与用电设备。

7.如权利要求6所述的微能量采集控制电路，其特征在于，二级储能模块输出端通过所述整流二极管直接向用电设备供电。

8.如权利要求5所述的微能量采集控制电路，其特征在于，还包括用于采集输出控制模块的输出端电压并反馈至控制器的输出采样模块，控制器根据输入采样模块和输出采样模块的输出电压获得微能量采集控制电路的最大功率点追踪，并根据最大功率点追踪控制一级储能模块、二级储能模块或三级储能模块工作。

9.如权利要求8所述的微能量采集控制电路，其特征在于，输出采样模块包括第三电阻和第四电阻，输出控制模块的输出端依次经过第三电阻和第四电阻接地，第四电阻上的分压输出至控制器。

Images