CN105099234A - 磁场能量采集设备 - Google Patents

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Abstract

一种磁场能量采集设备，可以包括一个电感器和一个控制器。电感器可包括连接到彼此串联的两个电感器绕组，配置在卷绕方向和取向相对于电感器的中间抽头和异相彼此以产生两个电压。该控制器可以切换两个电压，并且可以通过交替接通和断开开关产生大约恒定DC输出电压。

Description

磁场能量采集设备
技术领域
本申请的主题涉及一种磁场能量采集器。
背景技术
可以由通过诱导螺旋线或电感线圈产生的电流收获交变磁场的能量。然而，所产生的电流可需要被整流以产生具有适当极性的适当电压和电流电源。
整流器可被配置为无源一引脚或在4分之一整流电路。有源整流器可以涉及需要从电感线圈馈送的它自己的电源复杂控制器。因功率损耗低于二极管导通电压范围，无源整流器可具有低效率。有源整流器可具有太复杂的电路。
因此，存在对于具有高效有源整流器而不增加复杂性磁场能量采集设备的持续需要。
发明内容
根据本公开的一个实施例，提供了一种设备，包括：在抽头具有串联连接彼此的两个绕组的电感器；和控制器，其中，所述绕组被配置在卷绕方向和方位，以产生相对于所述电感器的抽头和彼此异相的两个电压，和其中，所述控制器以交替方式切换两个电压以充电输出电容器，以产生大致恒定的DC输出电压的。
根据本公开的一个实施例，提供了一种系统，包括：输出电容器；电路板；具有在抽头串联连接彼此的两个绕组的电感器；和控制器，其中所述绕组被配置在卷绕方向和方位，以产生相对于所述电感器的抽头和彼此异相的两个电压，和
其中，所述控制器以交替方式切换两个电压以充电输出电容器，以产生大致恒定的DC输出电压。
根据本公开的一个实施例，提供了一种设备，包括：输出电容器；串联连接所述输出电容器的电感器；和控制器，其中，所述控制器控制开关，以允许电流从所述电感器流动以当所述电感器是在交变磁场的第一阶段时充电所述输出电容器，以及当所述电感器处于交变磁场的第二阶段时所述控制器充电所述控制器的内部电源。
附图说明
因此，可以理解本发明的特征，多个附图的说明如下。但应注意，所附附图仅说明本发明的特定实施例，并且因此不应被视为其范围的限制，因为本发明可包括其它同等有效的实施例。
图1示出根据本发明实施例的示例性磁场能量采集器。
图2示出根据本发明实施例的示例性磁场能量采集器。
图3示出根据本发明实施例的示例性磁场能量采集器的信号时序图。
图4A和4B示出根据本发明实施例的示例性磁场能量采集器。
图5示出根据本发明实施例的示例性磁场能量采集器。
图6示出根据本发明实施例的示例性磁场能量采集器的信号时序图。
具体实施方式
本发明的实施例提供磁性场能量采集器。
在图1所示的一个实施例中，磁场能量采集设备100可配置靠近并在电力传输线110的磁场内。电力传输线110可传输交流电流(AC)供电，其产生具有磁通量的交变磁场。磁场能量采集装置100可以从磁场获取能量并将所采集的能量转换成电能，其被提供以供电一个或多个电子设备120。
在一个具体的实施例中，电子设备120可以是用于测试或诊断在远程位置中的准备的移动现场设备，其中，来自公用电网的标准电源不可用。便携电池和发电机可过于繁琐地使用，特别是如果移动字段设备120本身是非常小的。在这样的情况下，压缩磁场能量采集设备100可以是可行的方案，其通过采集电力传输线110的磁场能量而为电子设备120提供少量所需的功率。
在实施例中，磁场能量采集设备100可以物理地靠近或接近电力传输线110，优选尽可能接近磁场能量采集设备100以最大化磁场强度。磁场能量可能不需要是正弦幅度波形，并且可以是任何数目的摆动波形的形式，如三角波、锯齿波、方形等。
在实施例中，磁场能量采集设备100可采集其他来源的磁场能量，诸如移动磁性物体的磁场，诸如涡轮机的动衔铁磁体。
图2示出根据本发明实施例的示例性磁场能量采集器。
如图2中，设备200可以包括电感器210和控制器220。电感器210可以包括连接到彼此串联的两个电感器绕组210.1和210.2，配置在卷绕方向和方位以产生相对于所述线圈210的中间抽头(连接到OUT+)并彼此异相(例如，180度的相位差)的两个电压(UH1，UH2)。控制器220可监视两个电压(UH1，UH2)和可通过交替接通和断开开关270.1和270.2而产生接近恒定的DC输出电压(UOUT，如节点OUT+和GND之间)。
控制器220可以包括两个二极管220.1和220.2，两个阴极连接到彼此和电荷泵230，以及各自阳极连接到电感器210的两个端节点L1和L2。电荷泵230也连接到GND并输出供给到电容器232，以维持控制器220内部的VCC电源。以这种方式，无论相位电感器210产生哪种极性或相位，该电荷泵230可以从电感器210牵引电流，以供电控制器220内部的VCC节点，VCC节点供电控制器220内的组件。如果电感产生足够高的电压和能量以直接充电电容器232，并在切换的各个阶段满电荷保持它，电荷泵230可以是可选的。
二极管220.1和220.2可以是低电压开关二极管，诸如肖特基二极管。
电感器210的两个端节点L1和L2还可以连接到两个比较器240.1和240.2的相应输入，使节点L1和L2的电压分别进行比较于基准电压Vref。两个比较器240.1和240.2的Vref可以是相同的或彼此不同的。Vref可通过各种手段和电路，优选内部控制器220产生，例如通过电阻和/或二极管分压器。Vref也可以从外部设定或电压信号设置。
比较器240.1和240.2的输出可以是交馈送到两个缓冲器250.1和250.2的相应输入，其具有连接到两个开关270.1和270.2的各自栅极的相应输出。缓冲器250.1和250.2可以是可选的，以使得比较器240.1和240.2的输出端连接到开关270.1和270.2的栅极，也就是在横向进给结构中，使得比较器240.1的输出端连接到开关的栅极270.2，以及比较器240.2的输出端连接到开关270.1的栅极。
开关270.1和270.2可以具有连接到电感器210的端节点L1和L2的相应漏极节点，以及连接到GND各自的源节点。开关270.1和270.2可以具有各自的漏极-源极电压(UDS1和UDS2)和相应的栅极-源极电压(UGS1和UGS2)。开关270.1和270.2可以是金属-氧化物-硅场效应晶体管(MOSFET)，或其他类型的晶体管。优选地，开关270.1和270.2可以是n型MOSFET。
此外，设备200可包括输出电容器290来平滑并维持大致恒定的DC输出电压(UOUT)，用于输出供电，其可以用于驱动外部电子设备。
图3示出根据本发明实施例的图2中的示例性磁场能量采集器200的信号时序图。
根据图3，双绕组电感器210可以产生两个电压，使得两个电压(UDS1，UDS2)总是在相对于地电势的正值，并具有单个电感电压(标注为2A)的双振幅，而两个电压(UDS1，UDS2)的另一个被保持在相对于接地电位的负打开电压(-Uon)。这允许连续电压供给为内部电荷泵230，其产生内部控制电源电压VCC。电感器210的两个电压也可允许控制同步整流中开关270.1和270.2的交替的导通和关断时间，以获得全波整流。
也就是说，无论电感器210产生哪个电气极性，连接到节点OUT+的中间抽头是在相对GND的正极性和电感器210的端节点之一，并且电感器的另一端节点210是由控制器220引导到供电电荷泵230和控制器220的内部VCC，以控制开关270.1和270.2。
这种有源开关，作为高效同步整流，可允许在电感210中产生的低于1伏电压幅度的有效整流的低电压信号。两个绕组方法允许控制器220的内部电源和在同步整流模式下工作的两个开关270.1和270.2的控制信号。
图4A和4B示出根据本发明实施例的示例性磁场能量采集器。
图4A示出示例性磁场能量采集器，平面电感器线圈设计在3管脚封装中使用集成芯片(IC)连接，其可以包括控制器220。这使得感应线圈被集成在同一块印刷电路板(PCB)作为IC。电感线圈具有垂直于PCB平面的磁芯轴。输出电容器290没有在这里示出，但也可以安装在同一PCB上。
图4B示出示例性磁场能量采集器，电感器线圈设计在3管脚封装中使用集成芯片(IC)连接，其可以包括控制器220。这使得感应线圈被集成在同一块印刷电路板(PCB)作为IC。在这种构造中，感应线圈的磁心轴线上或平行于PCB的平面。这里，可能会有内置或安装到PCB的额外的磁场集中器。磁场集中器可以是铁磁性材料，在两端的横截面面积大于比通过该电感线圈的中间部分的横截面面积。该磁场集中器可以采集在两端的磁场并集中通过该电感线圈的中间的磁场。输出电容器290没有在这里示出，但也可以安装在同一PCB上。
图5示出根据本发明实施例的示例性磁场能量采集器。
如图5，设备500可以包括电感器510.1和控制器520。电感510.1可产生电压UH1。控制器520可监视电压UH1并可通过接通和断开开关570.1产生近似恒定DC输出电压(输出电容器590上的UOUT)。
控制器520可以连接在电容器590的正节点和连接到充电泵530的第一节点以及连接到电感器510.1的一端的第二节点k。电荷泵530还连接到第二结点K，并输出供给到电容器532以维持控制器520内部的VCC电源。在这种方式下，电荷泵530可以从电感器510.1牵引电流来驱动控制器520内部的VCC节点，VCC节点供电控制器520内的组件。电荷泵530可以包括二极管(未示出)，以确保该电荷泵530只在切换阶段之一供电(类似于二极管230)。
节点B可以被连接到比较器540.1的输入端，所以节点B的电压进行比较于基准电压Vref。Vref的可通过各种手段和电路，优选内部控制器520来产生，例如通过电阻和/或二极管分压器。Vref也可以从外部设定或电压信号设置。
比较器540.1的输出可以被连接到缓冲器550.1，其具有输出连接到开关570.1的栅极的输入。缓冲器550.1可以是可选的，以使得比较器540.1的输出端连接到开关570.1的栅极。
开关570.1可具有连接到节点K的漏极节点，以及连接到节点B的源节点。开关570.1可具有漏-源电压UDS1和栅-源电压UGS1。开关570.1可以是金属-氧化物-硅场效应晶体管(MOSFET)，或其他类型的晶体管。优选地，开关570.1可以是n型MOSFET。
此外，设备500可以包括输出电容器590来平滑并维持大致恒定的DC输出电压(UOUT)，用于输出供电，其可以用于驱动外部电子装置。
图6示出根据本发明实施例的图5的示例性磁场能量采集器500的信号时序图。
根据图6，电感器510.1可产生交流波形，在具有振幅A的正和负极性之间振荡。当电压UH1为正时，UH1可以足够高以充电电容器590，这可导致电压UBK(节点B和节点k之间)变负。控制器520的内部电源VCC保持由电容器535搭载，以及比较器540.1可以跳闸，引起开关570.1打开，连接节点K至节点B。在这个阶段，(电压UH1的正相)，电感器510充电电容器590。
当电压UH1为负时，电压UH1和电压UOUT被添加到彼此在电压UBK上，不对电容器590充电。在这个阶段中，比较器540.1可以关掉开关570.1，防止电感器510.1放电电容器590。在该阶段中，电压UBK(其是UH1和UOUT的总和)被施加到电荷泵530，其导通用于产生内部VCC。
如果电感器产生足够高的电压和能量以直接充电电容器535并为交换各个阶段保持其电荷，电荷泵530可以是可选的。
这种结构允许半波整流。
在实施例中，设备可用于磁场的能量采集，其围绕高电流电线产生。无电位线路保护需要用于智能电网高电流和高电压应用。该设备通过使用合适的控制方法和有利的电路布置结合了高效率的电压整流。
因此，具有简单高效控制器的磁场能量采集设备可现场实施。
虽然本发明已经在上面参照具体的实施例描述，但本发明并不限于上述实施例以及附图中所示的具体配置。例如，示出的一些组件可以彼此组合作为一个实施例，或一个组件可以被分成几个子组件，或任何其它已知或可用的组件可以加入。那些熟练的技术人员将理解，本发明可以以其它方式在不脱离本发明精神和实质特征的情况下实施。因此，本实施例在所有方面都是示例性的而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述指出，并且因此权利要求的等效的意义和范围的所有改变都旨在被包含在其中。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
在抽头具有串联连接彼此的两个绕组的电感器；和
控制器，
其中，所述绕组被配置在卷绕方向和方位，以产生相对于所述电感器的抽头和彼此异相的两个电压，和
其中，所述控制器以交替方式切换两个电压以充电输出电容器，以产生大致恒定的DC输出电压的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述两个绕组具有相对于彼此的相同缠绕方向。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器包括两个二极管，具有连接到所述电感器的两个端节点的阳极，以及连接到彼此和电荷泵的阴极。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器包括两个二极管，具有连接到所述电感器的两个端节点的阳极，以及连接到彼此和控制器的内部电源节点的阴极。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，两个二极管包括肖特基二极管。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器包括从所述电感器牵引电流的电荷泵，以驱动所述控制器的内部电源。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器包括由所述控制器控制两个开关，用于以交替的方式连接所述电感器的两个端节点到输出电容器的接地节点。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述两个开关包括场效应晶体管。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述两个开关包括MOSFET。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述控制器包括两个比较器，基于所述电感器的两个端节点和在两个比较器和相应的两个开关之间连接的两个缓冲器的电压切换所述两个开关。
11.一种系统，包括：
输出电容器；
电路板；
具有在抽头串联连接彼此的两个绕组的电感器；和
控制器，
其中所述绕组被配置在卷绕方向和方位，以产生相对于所述电感器的抽头和彼此异相的两个电压，和
其中，所述控制器以交替方式切换两个电压以充电输出电容器，以产生大致恒定的DC输出电压。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述两个绕组具有相对于彼此的相同的缠绕方向。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器包括两个二极管，具有连接到所述电感器的两个端节点的阳极，以及连接到彼此和电荷泵的阴极。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述两个二极管包括肖特基二极管。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器包括电荷泵，从电感器牵引电流以驱动所述控制器的内部电源。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器包括由所述控制器控制两个开关，用于以交替的方式连接所述电感器的两个端节点到输出电容器的接地节点。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述两个开关包括场效应晶体管。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述两个开关包括MOSFET的。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述控制器包括两个比较器，基于所述电感器的两个端节点和在两个比较器和相应的两个开关之间连接的两个缓冲器的电压切换所述两个开关。
20.一种设备，包括：
输出电容器；
串联连接所述输出电容器的电感器；和
控制器，
其中，所述控制器控制开关，以允许电流从所述电感器流动以当所述电感器是在交变磁场的第一阶段时充电所述输出电容器，以及当所述电感器处于交变磁场的第二阶段时所述控制器充电所述控制器的内部电源。
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