CN105099272B - 一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于压电‑电磁复合式俘能器的能量采集电路，涉及用于俘能器的能量采集电路，属于新能源和发电技术领域。本发明包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路。电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，从而提高输出功率。压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，从而提高输出功率。电磁俘能器能量采集电路的输出电压和压电俘能器能量采集电路输出压电与充电电池的充电电压相匹配。本发明能够实现将交流电转换为直流电，向负载供电，即实现压电‑电磁复合式俘能器直接为负载供电，从而提高输出功率。

Description

一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路

技术领域

本发明涉及一种用于俘能器的能量采集电路，尤其涉及一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，属于新能源和发电技术领域。

背景技术

随着微电子制造技术、无线传感网络的快速发展及各种新型的低功耗元件的出现，将振动能转化为电能并供给低功耗器件的振动型俘能器成为了研究热点。目前，振动型俘能器主要有静电式、压电式与电磁式。静电式俘能器需要外接电源，很大程度上限制了它的应用。电磁式俘能的基本原理为电磁感应定律，穿过闭合导线的磁通量发生变化时，在导线中产生感应电流，从而输出电能。压电式俘能的基本原理为压电材料的正压电效应，机械振动使得压电材料内部产生应力，发生正压电效应产生电荷，输出电能。压电式与电磁式俘能器的工作原理不同，不能同时输出大电压和大电流，为了克服两种单一俘能技术的缺点，研究人员在压电式、电磁式俘能器的基础上提出了压电-电磁复合式俘能器。

压电-电磁复合俘能器将压电和电磁两种能量转换结构集成在一个系统中，既综合了压电转换和电磁转换的优点，又提高了微电源的能量转换效率和能量密度。由于压电式俘能器在每个振动周期压输出的电压相对较高、电流较小，而电磁式俘能器的输出的电压相对较低，电流较大，二者能量都很微弱，不能直接向电子负载供电，需要将电压和电流都转换为可以为超级电容或者充电电池供电的电压和电流。因此，在能量采集装置与电子负载之间必须插入能量采集电路。能量采集电路可以将交流电转换为直流电，直接向负载供电，还可以储存每个振动周期压电元件的输出电荷，增大输出电流，从而提高输出功率。

发明内容

本发明公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，要解决的技术问题是提供一种能量采集电路，能够实现将交流电转换为直流电，向负载供电，即实现压电-电磁复合式俘能器直接为负载供电，从而提高输出功率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路。

电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得电磁俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。

所述的电磁俘能器能量采集电路包括AC-AC升压模块，整流滤波模块，DC-DC降压模块，能量存储模块。

通过AC-AC升压模块使得电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对升压模块的输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，为了得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压，需要经过DC-DC降压模块，这样，DC-DC降压模块的输出电压能够直接为充电电池充电。

电磁俘能器能量采集电路包括微型变压器Q，电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄和带有整流滤波，DC-DC降压功能的芯片。即AC-AC升压模块通过微型变压器Q硬件实现；整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U₁实现。电磁俘能器输出端一端接在微型变压器Q的初级线圈一端，另一端接地，微型变压器Q初级线圈的另一端接在芯片U₁的SW1管脚；微型变压器Q的次级线圈一端通过电容C₁接入芯片U₁的C₁管脚，通过电容C₂接入芯片U₁的C₂管脚，另一端接地；芯片U₁的VS1、Vaux和VLDO管脚并接在电容C₃的一端，电容C₃的另一端接地；芯片U₁的VS2管脚接地；芯片U₁的Vout1管脚与电容C₄串接后接地，并输出电压V_OUT电磁。

电磁俘能器能量采集电路通过调节微型变压器Q初级线圈与次级线圈的比值，使得电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对变压器Q的次级线圈输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，再经过DC-DC降压模块，得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压。

作为优选，所述微型变压器Q的初级线圈与次级线圈的比值1:100。

压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得压电俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。

所述的压电俘能器能量采集电路包括整流滤波模块、DC-DC降压模块、能量存储模块。

压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块，使得压电俘能器得到一个稳定的直流输出电压，然后通过DC-DC降压，提高输出电流，同时，得到一个与充电电池充电电压相匹配的输出电压。

压电俘能器能量采集电路包括电容C₅、电容C₆、电容C₇、电容C₈、电感L₁和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片。即整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C₅、电容C₆、电容C₇、电容C₈、电感L₁和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U₂实现压电俘能器能量采集电路，压电俘能器输出端两端接入芯片U₂的PZ1和PZ2管脚；芯片U₂的V_in管脚和CAP管脚之间并接电容C₆，V_in管脚串接电容C₅后接地；芯片U₂的V_in2、D₀和D₁管脚并接在电容C₇一端，电容C₇的另一端接地；芯片U₂的SW2管脚和V_OUT2管脚之间并接电感L₁；芯片U₂的V_OUT2管脚与电容C₈串接后接地，并输出电压V_OUT压电。

压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块对压电俘能器的输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，再经过DC-DC降压模块，得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压。

所述的用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路包括二极管D₁，二极管D₂和充电电池。

电磁俘能器能量采集电路输出V_OUT电磁通过二极管D₁接入充电电池的正极；压电俘能器能量采集电路输出V_OUT压电通过二极管D₂接入充电电池的正极；充电电池的负极接地。电磁俘能器能量采集电路的输出电压V_OUT电磁和压电俘能器能量采集电路V_OUT压电与充电电池的充电电压相匹配，实现对充电电池的充电功能，防止电流回流。

通过本发明公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路能够实现将交流电转换为直流电，向充电电池供电，即实现压电-电磁复合式俘能器直接为负载供电，从而提高输出功率。

本发明公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路工作过程为，压电-电磁复合式俘能器在振动状态下，电磁俘能器输出交流信号，通过微型变压器Q升压后，接入芯片U₁，在芯片U₁内部，经过整流降压，DC/DC转换，在V_out1管脚输出电压V_OUT压电；压电俘能器输出交流信号直接接入芯片U₂，通过芯片U₂内部并联稳压器，放掉任何多余的电力，并由一个效率高的毫微功率的同步降压稳压器维持稳定的输出电压，在V_OUT2管脚输出电压V_OUT电磁，V_OUT电磁和V_OUT压电分别接二极管D₁、二极管D₂再接到充电电池正极上，对充电电池供电，即实现压电-电磁复合式俘能器直接为负载供电，从而提高输出功率。

有益效果：

1、本发明公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，有效的将压电俘能和电磁俘能结合到一起，可产生较大输出电流和较高输出电压，有效弥补了压电或电磁单独俘能方式功率偏小的不足，更加有利于为超级电容或者充电电池供电。

2、本发明公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，与传统的标准能量采集电路相比，能够将压电俘能的高输出电压，低输出电流；电磁俘能的低输出电压，高输出电流转换为能够为充电电池或者超级电容供电的电压，电流。提高能量的转换效率，缩短充电时间，提高能量利用率。

3、本发明公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，结构简单，输出功率高，便于微小集成化，可以与MEMS工艺兼容，直接为微小型传感器供电。

附图说明

图1是本发明的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路；

图2是本发明的电磁能量采集电路的示意框图；

图3是本发明的压电能量采集电路的示意框图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达到预期目的所采取的技术手段及功效，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效做如下详细说明。

实施例1

如图1、2、3所示，本实施例公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路。

如图2所示，电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得电磁俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。

所述的电磁俘能器能量采集电路包括AC-AC升压模块，整流滤波模块，DC-DC降压模块，能量存储模块。

通过AC-AC升压模块使得电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对升压模块的输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，为了得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压，需要经过DC-DC降压模块，这样，DC-DC降压模块的输出电压可以直接为充电电池充电。

电磁俘能器能量采集电路包括微型变压器Q，电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄和带有整流滤波，DC-DC降压功能的芯片。即AC-AC升压模块通过微型变压器Q硬件实现；整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U₁实现。电磁俘能器输出端一端接在微型变压器Q的初级线圈一端，另一端接地，微型变压器Q初级线圈的另一端接在芯片U₁的SW1管脚；微型变压器Q的次级线圈一端通过电容C₁接入芯片U₁的C₁管脚，通过电容C₂接入芯片U₁的C₂管脚，另一端接地；芯片U₁的VS1、Vaux和VLDO管脚并接在电容C₃的一端，电容C₃的另一端接地；芯片U₁的VS2管脚接地；芯片U₁的Vout1管脚与电容C₄串接后接地，并输出电压V_OUT电磁。

电磁俘能器产生的电流较大，但是电压较小，为了获得更多的能量，电磁俘能器能量采集电路采用LTC3108芯片来提高能量的转换效率，即带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U₁选用LTC3108芯片。LTC3108芯片是一款高度集成的DC/DC转换器，非常适合于收集和管理来自诸如TEG(热电发生器)、热电堆和小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量。LTC3108芯片所采用的升压型拓扑结构能够在输入电压低至20mV的情况下正常运作。

通过调节微型变压器Q初级线圈与次级线圈的比值，使得电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对变压器Q的次级线圈输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，再经过DC-DC降压模块，得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压。

作为优选，所述微型变压器Q的初级线圈与次级线圈的比值1:100。

如图3所示，压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得压电俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。

所述的压电俘能器能量采集电路包括整流滤波模块、DC-DC降压模块、能量存储模块。

压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块，使得压电俘能器得到一个稳定的直流输出电压，然后通过DC-DC降压，提高输出电流，同时，得到一个与充电电池充电电压相匹配的输出电压。

压电俘能器能量采集电路包括电容C₅、电容C₆、电容C₇、电容C₈、电感L₁和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片。即整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C₅、电容C₆、电容C₇、电容C₈、电感L₁和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U₂实现压电俘能器能量采集电路，压电俘能器输出端两端接入芯片U₂的PZ1和PZ2管脚；芯片U₂的V_in管脚和CAP管脚之间并接电容C₆，V_in管脚串接电容C₅后接地；芯片U₂的V_in2、D₀和D₁管脚并接在电容C₇一端，电容C₇的另一端接地；芯片U₂的SW2管脚和V_OUT2管脚之间并接电感L₁；芯片U₂的V_OUT2管脚与电容C₈串接后接地，并输出电压V_OUT压电。

压电俘能器产生的电压具有电压大，电流小的特点，为了获得较多的能量，压电俘能器能量采集电路采用LTC3588芯片来提高能量的转换效率，即所述的芯片U₂采用LTC3588芯片。LTC3588是一款专为能量收集而设计的芯片，能够直接连接压电或者交流电源，用一个外部电容整流电压和存储能量，通过内部并联稳压器，放掉任何多余的电力，并由一个效率高的毫微功率的同步降压稳压器维持稳定的输出电压。

压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块对压电俘能器的输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，再经过DC-DC降压模块，得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压。

所述的用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路包括二极管D₁，二极管D₂和充电电池。

电磁俘能器能量采集电路输出V_OUT电磁通过二极管D₁接入充电电池的正极；压电俘能器能量采集电路输出V_OUT压电通过二极管D₂接入充电电池的正极；充电电池的负极接地。电磁俘能器能量采集电路的输出电压V_OUT电磁和压电俘能器能量采集电路V_OUT压电与充电电池的充电电压相匹配，实现对充电电池的充电功能，防止电流回流。

通过本实施例公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路能够实现将交流电转换为直流电，向充电电池供电，即实现压电-电磁复合式俘能器直接为负载供电，从而提高输出功率。

优选的，所述的电容C₁＝1nF，C₂＝330pF,C₃＝1μF，C₄＝2.2μF，C₅＝22μF，C₆＝1μF，C₇＝4.7μF，C₈＝100μF，L₁＝22μH，充电电池BAT为3.3V。

本实施例公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路工作过程为，振动状态下，压电-电磁复合式俘能器开始工作，电磁俘能器输出交流信号，通过微型变压器升压后，接入芯片U₁，在芯片U₁内部，经过整流降压，DC/DC转换，在V_out1管脚输出电压V_OUT压电＝3.3V；压电俘能器输出交流信号直接接入芯片U₂，通过芯片U₂内部并联稳压器，放掉任何多余的电力，并由效率高的毫微功率的同步降压稳压器维持稳定的输出电压，在V_OUT2管脚输出电压V_OUT电磁＝3.6V，V_OUT电磁和V_OUT压电分别接二极管再接到充电电池正极上，对充电电池供电。

压电-电磁复合式俘能器综合了压电发电和电磁发电的优点，输出电压高，电流大，能量密度大和转换效率高。本实施例公开的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路集成了压电俘能器能量采集电路和电磁俘能器能量采集电路，将压电俘能器端和电磁俘能器端俘获的能量存储到充电电池中，为保证电流不回流，在电池与压电俘能器能量采集电路输出端，电磁俘能器能量采集电路输出端之间接入二极管，确保电流持续不断地从输出端流入充电电池中。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，其特征在于：包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路；

电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，此外，还需使得电磁俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配；

压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，此外，还需使得压电俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配；

所述的电磁俘能器能量采集电路包括AC-AC升压模块，整流滤波模块，DC-DC降压模块，能量存储模块；电磁俘能器能量采集电路通过AC-AC升压模块使得电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对升压模块的输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，为了得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压，需要经过DC-DC降压模块降压，DC-DC降压模块的输出电压能够直接为充电电池充电；

所述的压电俘能器能量采集电路包括整流滤波模块、DC-DC降压模块、能量存储模块；压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块，使得压电俘能器得到稳定的直流输出电压，然后通过DC-DC降压，提高输出电流，同时，得到与充电电池充电电压相匹配的输出电压；

所述的用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路包括二极管D1，二极管D2和充电电池；

电磁俘能器能量采集电路包括微型变压器Q，电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄和带有整流滤波，DC-DC降压功能的芯片；即AC-AC升压模块通过微型变压器Q硬件实现；整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U₁实现；电磁俘能器输出端一端接在微型变压器Q的初级线圈一端，另一端接地，微型变压器Q初级线圈的另一端接在芯片U₁的SW1管脚；微型变压器Q的次级线圈一端通过电容C₁接入芯片U₁的C₁管脚，通过电容C₂接入芯片U₁的C₂管脚，另一端接地；芯片U₁的VS1、V_aux和VLDO管脚并接在电容C₃的一端，电容C₃的另一端接地；芯片U₁的VS2管脚接地；芯片U₁的Vout1管脚与电容C₄串接后接地，并输出电压V_OUT电磁；

压电俘能器能量采集电路包括电容C₅、电容C₆、电容C₇、电容C₈、电感L₁和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片；即整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C₅、电容C₆、电容C₇、电容C₈、电感L₁和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U₂实现压电俘能器能量采集电路，压电俘能器输出端两端接入芯片U₂的PZ1和PZ2管脚；芯片U₂的V_in管脚和CAP管脚之间并接电容C₆，V_in管脚串接电容C₅后接地；芯片U₂的V_in2、D₀和D₁管脚并接在电容C₇一端，电容C₇的另一端接地；芯片U₂的SW2管脚和V_OUT2管脚之间并接电感L₁；芯片U₂的V_OUT2管脚与电容C₈串接后接地，并输出电压V_OUT压电；

电磁俘能器能量采集电路输出V_OUT电磁通过二极管D₁接入充电电池的正极；压电俘能器能量采集电路输出V_OUT压电通过二极管D₂接入充电电池的正极；充电电池的负极接地；电磁俘能器能量采集电路的输出电压V_OUT 电磁和压电俘能器能量采集电路V_OUT压电与充电电池的充电电压相匹配，实现对充电电池的充电功能，防止电流回流；

所述微型变压器Q的初级线圈与次级线圈的比值1:100；

电磁俘能器能量采集电路采用LTC3108芯片来提高能量的转换效率，即带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U₁选用LTC3108芯片；

压电俘能器能量采集电路采用LTC3588芯片来提高能量的转换效率，即所述的芯片U₂采用LTC3588芯片。

2.根据权利要求1所述的一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，其特征在于：所述的电容C₁＝1nF，C₂＝330pF,C₃＝1μF，C₄＝2.2μF，C₅＝22μF，C₆＝1μF，C₇＝4.7μF，C₈＝100μF，L₁＝22μH，充电电池BAT为3.3V。