CN104811031B

CN104811031B - 一种电源管理系统及其能量回收单元

Info

Publication number: CN104811031B
Application number: CN201410461224.2A
Authority: CN
Inventors: 陈锋
Original assignee: HANGZHOU GUIXING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU GUIXING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2034-09-11
Also published as: CN104811031A

Abstract

本发明提供一种能量回收单元及包含该能量回收单元的电源管理系统，通过能量回收单元对电容CL上电能进行回收，其中端口Ctrl是控制整个电路工作状态的，如果Ctrl被置高电平，传统电源管理器工作，能量回收单元不工作；如果Ctrl被置低电平，传统电源管理器不工作，能量回收单元工作。本发明能回收电源去耦电容、输出端寄生电容及电路内部寄生电容上的能量，因此延长了电池的续航能力。本发明绿色环保，高效。在传感器、物联网、新能源领域将会得到广阔的应用前景。

Description

一种电源管理系统及其能量回收单元

技术领域

本发明属于电源控制技术领域，尤其涉及一种能量回收单元及包含该能量回收单元的电源管理系统。

背景技术

在一些极低功耗应用场合，电子设备往往很长时间才工作一次。在一次工作结束后，需要很长时间的待机，然后才进行下一次的工作。在待机过程中，即使电子设备被完全关掉，也因为漏电的存在，会漏掉一些电流。某些场合，这些累计的泄漏能量与相应短暂的正常工作能量可比拟，这需要电源系统彻底关死，不要对负载供电。但这还不能完全解决问题，关掉电源的输出的供电能力，但是电源上连接的去耦电容上面的能量还是会泄漏掉的。这部分泄露的能量也是很可观的，在某些应用场合，这部分能量甚至会超过相应单次正常工作的能量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种能量回收单元及包含该能量回收单元的电源管理系统，该能量回收单元及包含该能量回收单元的电源管理系统能够回收电源去耦电容、输出端寄生电容及电路内部寄生电容上的能量。

本发明提供一种电源管理系统，关键技术于，其包括：

电源管理器，用于把电源管理系统的输入端的能量传递至输出端；

能量回收单元，用于把电源管理系统输出端电容上的能量回收至电源管理系统的输入端；

Ctrl端口，用于控制电源管理器与能量回收单元的工作状态，控制原理为：当Ctrl端口的控制信号为高电平时，电源管理器开启工作，能量回收单元被关掉；当Ctrl端口的控制信号为低电平时，控制能量回收单元开启工作，电源管理器被关掉。

进一步的，所述能量回收单元Power Recovery Unit包括：时序产生器timingGen、电感L1和四个开关，四个分别为开关S1、开关S2、开关S3、开关S4；

其连接关系为：

开关S1、开关S2、开关S3、开关S4的控制端均与时序产生器timing Gen相接；

开关S1的第一导通端a1与电感L1的一端相接，第二导通端b1与电源管理系统的电池E连接；

开关S2的第一导通端a2接地，第二导通端b2与电感L1的一端相接；

开关S3的第一导通端a3接地，第二导通端b3与电感L1的另一端相接；

开关S4的第一导通端a4与电感L1的另一端相接，第二导通端b4与电源管理系统的负载相接；

时序产生器timing Gen的另一端与电源管理系统的Ctrl端口连接；

其工作关系为：

当Ctrl端口高电平时，时序产生器timing Gen不工作，S1、S2、S3及S4断开；

当Ctrl端口低电平时，时序产生器timing Gen工作，产生开关S1～S4的控制信号，电源管理系统的负载电容CL上的电能经电感L1和开关S1～S4被回收到电源管理系统的电池E。

进一步的，所述能量回收单元Power Recovery Unit的工作原理如下：

充电阶段T1，S2、S4开启，S1、S3关断；

放电阶段T2，S2、S4关断，S1/S3与S2/S4非交叠地开启；

整个能量回收过程结束，开关S1～S4都关断；

上述四个开关中任一开关开启即该开关的第一导通端与其第二导通端连接，任一开关关断即该开关的第一导通端与第二导通端断开。

进一步的，该电源管理系统包括电池E、电源管理器Power Manager、负载电容CL、负载Load和能量回收单元Power Recovery Unit，且电池E、电源管理器Power Manager、负载电容CL依次连接，负载Load与负载电容CL呈并联关系，

该Ctrl端口与能量回收单元Power Recovery Unit和电源管理器Power Manager连接，由Ctrl端口控制能量回收单元Power Recovery Unit和电源管理器Power Manager的工作状态；

电源电压VE大于等于负载点电压VDD的情况下，S3恒断、S4恒启，其控制关系为：

当Ctrl高电平时，电源管理器Power Manager开启工作，能量回收单元PowerRecovery Unit被关掉，E的电能经过Power Manager对Load供给；

当Ctrl低电平时，电源管理器Power Manager被关掉，回收单元Power RecoveryUnit在Ctrl端口的控制下把负载电容CL上的电能回收到电池E上；具体的回收过程为：

充电阶段T1，S2开启、S1关断；负载电容CL经L1及S2对地形成通路，负载电容CL对电感L1预充电，充电中负载点电压VDD下降，负载电容CL上的能量部分转移到电感中，当电感L1中电流达到预设值时，S2关断，T1结束；

放电阶段T2，S2关断后S1非交叠地开启，负载电容CL经L1及S1对VE形成通路，电感中的电流减小，在整个T2过程，电感L1中的能量转移到电源E，同时，负载点电压VDD也往下降，负载电容CL上的能量也部分转移到电源E，当电感L1中的电流降低到0时，T2结束；

T2结束后S2马上开启，重复之前T1及T2的过程，直到负载电容CL上负载点电压VDD降低到0，同时电感电流中电流也为0为止，整个能量回收过程结束，开关S1～S4都关断；

上述负载电容CL包括电源管理器输出点的去耦电容、输出端寄生电容及电路内部寄生电容；负载Load包括所有电子设备。

效果较佳的，电源管理器Power Manager为线性稳压器LDO。

效果较佳的，电源管理器Power Manager为降压变换电路BUCK。

效果较佳的，电源管理器Power Manager为升降压电路BUCK-BOOST，当Ctrl低电平且电源电压VE大于等于负载点电压VDD时，采用如上所述的控制方法，当Ctrl高电平时，开关S1～S4都关断。

电源电压VE小于负载点电压VDD的情况下，S2恒断、S1恒启，其控制关系为：

充电阶段T1，S4开启、S3关断；负载电容CL经L1及S4对电池E形成通路，负载电容CL对电感L1预充电，充电中负载点电压VDD下降，负载电容CL上的能量部分转移到电感L1中，当电感L1中电流达到预设值时，S4关断，T1结束；

放电阶段T2，S4关断后S3非交叠地开启，地经L1及S3对VE形成通路，电感中的电流减小，在整个T2过程，电感L1中的能量转移到电源E，同时，负载点电压VDD维持不变，当电感L1中的电流降低到0时，T2结束；

T2结束后S4马上开启，重复之前T1及T2的过程，直到负载电容CL上负载点电压VDD降低到VE为止，此时时序产生器timing Gen继续控制，直到负载点电压VDD降低为0，整个能量回收过程结束，所有开关S1～S4都关断；

效果较佳的，电源管理器Power Manager为升压电路BOOST。

效果较佳的，电源管理器Power Manager为升降压电路BUCK-BOOST，当Ctrl低电平且电源电压VE小于负载点电压VDD时，采用如上所述的控制方法，当Ctrl高电平时，开关S1～S4都关断。

本发明的有益效果在于：本发明能回收电源去耦电容、输出端寄生电容及电路内部寄生电容上的能量，因此延长了电池的续航能力。本发明绿色环保，高效。在传感器、物联网、新能源领域将会得到广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的电源管理系统的电路结构示意图；

图2A为本发明的能量回收单元的电路结构示意图；

图2B为本发明的VE低于VDD能量回收电路的工作时序示意图；

图3为VE高于VDD能量回收电路的工作时序示意图；

图4为本发明的实施例一PM对应LDO的电路结构示意图；

图5为传统LDO的电路结构示意图；

图6为本发明的PM对应LDO的VE大于VDD的能量回收工作模式示意图；

图7为本发明的实施例二PM对应BUCK的电路结构示意图

图8为传统Buck的电路结构示意图；

图9为本发明的PM对应BUCK的VE大于VDD的能量回收工作模式示意图；

图10为本发明的实施例三PM对应BOOST的电路结构示意图；

图11为传统BOOST的电路结构示意图；

图12为本发明的PM对应BUCK的能量回收工作模式示意图；

图13为本发明的VE低于VDD能量回收电路的工作时序示意图；

图14为本发明的实施例四PM对应BUCK-BOOST的电路结构示意图；

图15为传统BUCK-BOOST的电路结构示意图；

图16为本发明的PM对应BUCK-BOOST的电路结构示意图；

图17为本发明的能量回收单元的特殊实现情况示意图。

具体实施方式

图1-图16中，开关S1～S4均有三个口，其中开关S1～S4与时序产生器timing Gen连接的口均为其相应的控制端；

开关S1中：与电感L1一端相接的口为第一导通端a1，与电源管理系统的电池E连接的口为第二导通端b1；

开关S2中：接地的口为第一导通端a2，与电感L1一端相接的口为第二导通端b2；

开关S3中：接地的口为第一导通端a3，与电感L1另一端相接的口为第二导通端b3；

开关S4中：与电感L1另一端相接的口为第一导通端a4，与电源管理系统的负载相接的口第二导通端b4；

以上标记在图中未标记，在此说明。

本发明结构如图1所示。包括电池E、电源管理器Power Manager、负载电容CL、负载Load、能量回收单元Power Recovery Unit。其中能量回收单元的一种实现方式如图2A所示。

电池E负责提供电能。电源管理器Power Manager在Ctrl端口的控制下对E进行管理，输出合适的电压电流到负载Load上。当Ctrl高电平时，电源管理器Power Manager开启工作，E的电能经过Power Manager对Load供给；当Ctrl低电平，电源管理器Power Manager被关掉，同时输出高阻。CL是包括电源管理器输出点的去耦电容、输出端寄生电容及电路内部寄生电容。Load是负载，包括可能的所有电子设备。能量回收单元Power Recovery Unit在Ctrl端口的控制下把CL上的电能回收到电池E上。当Ctrl高电平时，能量回收单元被关掉，其输出端VE高阻；当Ctrl低电平时，CL上的电能经能量回收单元被回收到E。

对能量回收单元的描述。如图2A所示，能量回收单元的一种可能结构：包括Ctrl端口控制下的时序产生器timing Gen，开关S1，S2，S3，S4电感L1。其功能，当Ctrl端口高电平，timing Gen不工作，S1、S2、S3及S4断开；当Ctrl端口低电平，timing Gen工作，产生S1～S4开关的控制信号。VDD上的CL的电能经L1，S1～S4被回收到E。需要指出的是，在一些应用中Power Manager内部有时序产生器，可以不用单独的timing Gen而是复用Power Manager部分的时序产生器。如图2所示，图2B为本发明的VE低于VDD能量回收电路的工作时序示意图。

E、Power Manager及CL组成了传统的电源管理系统，Load是传统的负载。这几部分的工作原理与传统电源管理器是一致的，不详细展开。详细说明一下能量回收单元对电容CL上电能的回收。端口Ctrl是控制整个电路工作状态的，如果Ctrl被置高电平，传统电源管理器工作，能量回收单元不工作；如果Ctrl被置低电平，传统电源管理器不工作，能量回收单元工作。

下面结合图3的E高于VDD能量回收电路的工作时序来说明本发明能量回收过程。能量回收的拓扑不止一种，但是图2的电路结构是一种比较典型的结构。当VE高于VDD时，S3恒断开，S4恒开启。时序产生电路通过控制S1及S2的开通及关断，可以把CL上的能量经L1无损地回收到E上。控制S1及S2的策略有多种，比如固定占空比法、动态占空比法。固定占空比法，S1及S2产生固定的占空比，来控制能量回收，这种方法的优点是简单，缺点是在整个回收过程中，电感中的峰值电流的变化范围会比较大，这对电感L1会额外有一些要求。动态占空比法，根据能量回收的情况，动态调整占空比，S2的占空比随回收过程越来越大，S1是S2的逻辑反向非交叠信号。图3控制策略是电流峰值恒定占动态空比法。

当Ctrl被置低电平，T1阶段，S2开启，S1断开，VDD经L1及S2对地形成通路，VDD对电感L1预充电，在这充电过程，VDD点电压下降，CL上的能量部分转移到电感中，当电感L1中电流达到预设值Ip时，S2关断，T1结束。T2阶段，S2关断后，S1非交叠地开启，这样VDD经L1及S1对VE形成通路，电感中的电流减小，在整个T2过程，电感中的能量转移到E，同时，VDD点的电位也往下降，CL上的能量也部分转移到E。当电感中的电流降低到0时，T2结束。在图3中，为了快速能量回收，在T2结束，S2是马上又开启，重复之前T1及T2的过程。这一过程一直持续到CL上VDD的电压降低到0，同时电感电流中电流也为0为止，整个能量回收过程结束。所有开关都断开。

实施例一本发明PM对应LDO的实用例

结构：如图4所示，PM(power manager)对应是LDO，由于LDO应用中，E始终大于VDD，在PRU(Power recovery Unit)中，S3始终断开用开路表示，S4始终闭合用导线表示。Ref、Err AMP、M2、M1、R1、R2组成了LDO。Timing Gen、S1、S2、L1组成了PRU。

原理：Ctrl接高电平，对应的是传统LDO，如图5所示。具体原理不描述。

Ctrl接低电平，对应的是VE大于VDD的能量回收工作模式。如图6所示。具体原理上文已描述，不再重复。

实施例二本发明PM对应BUCK的实用例

结构：如图7所示，timing gen1、S3、S4、L2对应的是Buck拓扑的PM，timing Gen、S1、S2、L1对应的是PRU，由于Buck应用中，VE始终大于VDD，故S3恒端，S4恒短，可以简化成图7结构。

原理：Ctrl接高电平，实现传统同步整流Buck降压型DCDC的工作模式，如图8所示。传统型，原理略。

Ctrl接低电平，对应的是VE大于VDD的能量回收工作模式。如图9所示。具体原理上文已描述，不再重复。

实施例三本发明PM对应BOOST的实用例

结构：timing Gen2、L3、S5、S6组成了Boost结构。Timing Gen、S1～S4、L1组成了能量回收单元。由于Boost结构，VE始终小于VDD，故PRU部分四个开关管都使用。

原理：Ctrl接高电平，对应的是传统同步整流BOOST升压型DCDC工作模式，具体结构见图11。

Ctrl接低电平对应的是VE小于VDD的能量回收工作模式。具体见图12.结合图13的时序来说明其工作原理。当VE低于VDD时，S2恒断开，S1恒开启，timing Gen仅仅控制S3与S4就可以把部分能量回收到E。

当Ctrl被置低电平，T1阶段，S4开启，S3断开，VDD经L1及S4对VE形成通路，VDD对电感L1预充电，在这充电过程，VDD点电压下降，CL上的能量部分转移到电感中，当电感L1中电流达到预设值Ip时，S4关断，T1结束。T2阶段，S4关断后，S3非交叠地开启，这样地经L1及S3对VE形成通路，电感中的电流减小，在整个T2过程，电感中的能量转移到E，同时，VDD点的电位维持不变。当电感中的电流降低到0时，T2结束。在图13中，为了快速能量回收，在T2结束，S2是马上又开启，重复之前T1及T2的过程。这一过程一直持续到CL上VDD的电压降低到等于E为止。

当VDD电压降低到等于VE时，可以采用之前的图3的timing来控制，直至VDD降低到0，完成所有能量的回收。然后所有开关都断开。

本发明PM对应BUCK-BOOST的实用例

结构：如图14所示。gen3、S7、S8、L4构成了同步整流的Buck-boost电路。Timg gen、S1～S4、L1构成了PRU。

原理：Ctrl接高电平，配置成传统同步整流BUCK-BOOST升降压型DCDC工作模式，具体见图15.

如图16，Ctrl接低电平，配置成能量回收模式。因为Buck-boost拓扑，VE可能比VDD大，也可能比VE比VDD小。当VE比VDD大，timing对应图3，当VE比VDD小，timing对应图13.原理不重复描述。

当VE比较低的时候，同时当CL上能量回收导致VDD比VE还要低的时候，此时开关S1及S2由于VE的低电压，打开不是那么充分，这会影响回收能量的效率，为了解决这个问题，需要在驱动开关管S1及S2时加上自举电路来提供驱动电压。结构如图16所示。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士。在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，都应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims

1.一种电源管理系统，其特征在于，包括：

能量回收单元，用于把电源管理系统负载电容上的能量回收至电源管理系统的输入端；

Ctrl端口，用于控制电源管理器与能量回收单元的工作状态，控制原理为：当Ctrl端口的控制信号为高电平时，电源管理器开启工作，能量回收单元被关掉；当Ctrl端口的控制信号为低电平时，控制能量回收单元开启工作，电源管理器被关掉；

所述能量回收单元(Power Recovery Unit)包括：时序产生器(timing Gen)、电感L1和四个开关，四个分别为开关S1、开关S2、开关S3、开关S4；

其连接关系为：

开关S1、开关S2、开关S3、开关S4的控制端均与时序产生器(timing Gen)相接；

开关S1的第一导通端a1与电感L1的一端相接，第二导通端b1与电源管理系统的电池(E)连接；

时序产生器(timing Gen)的另一端与电源管理系统的Ctrl端口连接；

其工作关系为：

当Ctrl端口高电平时，时序产生器(timing Gen)不工作，S1、S2、S3及S4断开；

当Ctrl端口低电平时，时序产生器(timing Gen)工作，产生开关S1～S4的控制信号，电源管理系统的负载电容(CL)上的电能经电感L1和开关S1～S4被回收到电源管理系统的电池(E)。

2.如权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述能量回收单元(PowerRecovery Unit)的工作原理如下：

充电阶段T1：

当电源电压VE大于等于负载点电压VDD的情况下，S3恒断、S4恒启，S2开启、S1关断；

当电源电压VE小于负载点电压VDD的情况下，S2恒断、S1恒启，S4开启、S3关断；

放电阶段T2：

当电源电压VE大于等于负载点电压VDD的情况下，S3恒断、S4恒启，S2关断后S1非交叠地开启；

当电源电压VE小于负载点电压VDD的情况下，S2恒断、S1恒启，S4关断后S3非交叠地开启；

整个能量回收过程结束，开关S1～S4都关断；

3.如权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述电源管理系统包括电池(E)、电源管理器(Power Manager)、负载电容(CL)、负载(Load)和能量回收单元(Power RecoveryUnit)，且电池(E)、电源管理器(Power Manager)、负载电容(CL)依次连接，负载(Load)与负载电容(CL)呈并联关系，

该Ctrl端口与能量回收单元(Power Recovery Unit)和电源管理器(Power Manager)连接，由Ctrl端口控制能量回收单元(Power Recovery Unit)和电源管理器(PowerManager)的工作状态；

当Ctrl高电平时，电源管理器(Power Manager)开启工作，能量回收单元(PowerRecovery Unit)被关掉，电池(E)的电能经过电源管理器(Power Manager)对负载(Load)供给；

当Ctrl低电平时，电源管理器(Power Manager)被关掉，能量回收单元(PowerRecovery Unit)在Ctrl端口的控制下把负载电容(CL)上的电能回收到电池(E)上；具体的回收过程为：

充电阶段T1，S2开启、S1关断；负载电容(CL)经L1及S2对地形成通路，负载电容(CL)对电感L1预充电，充电中负载点电压VDD下降，负载电容(CL)上的能量部分转移到电感中，当电感L1中电流达到预设值时，S2关断，T1结束；

放电阶段T2，S2关断后S1非交叠地开启，负载电容(CL)经L1及S1对VE形成通路，电感中的电流减小，在整个T2过程，电感L1中的能量转移到电源(E)，同时，负载点电压VDD也往下降，负载电容(CL)上的能量也部分转移到电源(E)，当电感L1中的电流降低到0时，T2结束；

T2结束后S2马上开启，重复之前T1及T2的过程，直到负载电容(CL)上负载点电压VDD降低到0，同时电感电流中电流也为0为止，整个能量回收过程结束，开关S1～S4都关断；

上述负载电容(CL)包括电源管理器输出点的去耦电容、输出端寄生电容及电路内部寄生电容；负载(Load)包括所有电子设备。

4.如权利要求3所述的电源管理系统，其特征在于，电源管理器(Power Manager)为线性稳压器LDO。

5.如权利要求3所述的电源管理系统，其特征在于，电源管理器(Power Manager)为降压变换电路BUCK。

6.如权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述电源管理系统包括电池(E)、电源管理器(Power Manager)、负载电容(CL)、负载(Load)和能量回收单元(Power RecoveryUnit)，且电池(E)、电源管理器(Power Manager)、负载电容(CL)依次连接，负载(Load)与负载电容(CL)呈并联关系，

充电阶段T1，S4开启、S3关断；负载电容(CL)经L1及S4对电池(E)形成通路，负载电容(CL)对电感L1预充电，充电中负载点电压VDD下降，负载电容(CL)上的能量部分转移到电感L1中，当电感L1中电流达到预设值时，S4关断，T1结束；

放电阶段T2，S4关断后S3非交叠地开启，地经L1及S3对VE形成通路，电感中的电流减小，在整个T2过程，电感L1中的能量转移到电源(E)，同时，负载点电压VDD维持不变，当电感L1中的电流降低到0时，T2结束；

T2结束后S4马上开启，重复之前T1及T2的过程，直到负载电容(CL)上负载点电压VDD降低到VE为止，此时时序产生器(timing Gen)继续控制，直到负载点电压VDD降低为0，整个能量回收过程结束，所有开关S1～S4都关断；

7.如权利要求6所述的电源管理系统，其特征在于，电源管理器(Power Manager)为升压电路BOOST。

8.如权利要求6所述的电源管理系统，其特征在于，电源管理器(Power Manager)为升降压电路BUCK-BOOST，当Ctrl低电平且电源电压VE小于负载点电压VDD时，采用如权利要求6所述的电源管理系统的控制方法，当Ctrl高电平时，开关S1～S4都关断。

9.如权利要求3所述的电源管理系统，其特征在于，电源管理器(Power Manager)为升降压电路BUCK-BOOST，当Ctrl低电平且电源电压VE大于等于负载点电压VDD时，采用如权利要求3所述的电源管理系统的控制方法，当Ctrl高电平时，开关S1～S4都关断。