CN105245215B - 一种开关控制电路及自供电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关控制电路，包括：分路单元，用于将压电材料两端产生的正弦电压信号分成相同的第一正弦电压信号和第二正弦电压信号；微分器单元，用于将第一正弦电压信号转换为第一余弦电压信号；模拟移相器单元，用于将第二正弦电压信号进行1/m移相，移相后的信号经过微分器单元，得到第二余弦电压信号；开环放大电路单元，用于对第一余弦电压信号和第二余弦电压信号进行开环放大，得到第一方波信号和第二方波信号；第一单片机控制单元，用于对第一方波信号和第二方波信号的跳变沿进行检测，并在检测到跳变沿时交替输出用于控制开关闭合和断开的控制信号。本发明所述的开关控制电路，提高了能量回收电路的电能回收效率。

Description

一种开关控制电路及自供电电路

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体涉及一种开关控制电路及自供电电路。

背景技术

压电式发电是利用压电效应将机械能转换成电能的一种发电方式，压电材料在受到外界激励发生形变的同时会在其两个相对表面产生电荷，通过能量回收电路提取该电荷并储存便可作为电源为微电子产品或系统供电。目前研究较多的压电发电能量回收电路有同步电荷提取电路、串（并）联电感同步开关电路和双同步开关电感电路。在外界激励下压电材料输出的电压呈正弦规律变化，以上电路在压电材料两端电压达到最大时导通、在经过1/4或1/2个LC振荡周期后关断才能使电能回收效率最大。因此，压电式发电能量回收电路的开关控制方式是提高压电式发电能量转换效率的关键因素。

目前常用的直接采用单片机检测压电材料电压极值的方式存在不可忽视的缺陷：单片机程序通过A/D转换比较采样值的大小，从而找出采样值中的最大值，并在该值对应的时刻输出开关控制信号。但采样值中的最大值并不是压电材料两端真实的电压极值，从而导致开关动作时刻不准确，影响能量回收的效率。而且不同的回收电路在开关闭合时长上有差异，该控制方式在程序编写上的针对性较强，不便于直接应用于多种回收电路。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种开关控制电路及自供电电路，所述开关控制电路能够保证开关动作的准确性，提高压电式发电能量回收效率；所述自供电电路能够在不依赖外部电源的情况下自动为所述开关控制电路供电。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种开关控制电路，用于控制能量回收电路对压电发电装置产生的能量进行回收，该开关控制电路包括：分路单元，微分器单元、模拟移相器单元、开环放大电路单元和第一单片机控制单元；

所述分路单元，用于将压电发电装置中的压电材料两端产生的正弦电压信号分成完全相同的第一正弦电压信号和第二正弦电压信号；

所述微分器单元，用于将所述第一正弦电压信号转换为第一余弦电压信号；

所述模拟移相器单元，用于将所述第二正弦电压信号进行1/m移相；所述移相后的正弦电压信号经过所述微分器单元，得到第二余弦电压信号；

所述开环放大电路单元，用于对所述第一余弦电压信号和所述第二余弦电压信号分别进行开环放大，得到幅值和周期均相同的第一方波信号和第二方波信号；

所述第一单片机控制单元，用于对所述第一方波信号和第二方波信号的跳变沿进行检测，并在检测到所述第一方波信号或第二方波信号的跳变沿时交替输出用于控制开关闭合和断开的控制信号，开关闭合时，所述能量回收电路对所述压电发电装置产生的能量进行回收，开关断开时，所述能量回收电路停止对所述压电发电装置产生的能量的回收。

进一步地，所述控制信号为高低电平信号，其中，高电平信号用于控制开关闭合，低电平信号用于控制开关断开。

进一步地，所述m的取值为2或4。

进一步地，所述开关控制电路还包括运算放大器单元；所述运算放大器单元与所述分路单元相连，用于对所述第一正弦电压信号和第二正弦电压信号进行信号放大。

进一步地，所述第一单片机控制单元为ATMEGA128单片机。

第二方面，本发明提供了一种开关控制电路的自供电电路，包括第一超级电容、第二超级电容、第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关和第二单片机控制单元；

所述第三可控开关的第一端与压电发电装置相连，所述第三可控开关的第二端与所述第二超级电容的第一端相连；

所述第一可控开关的第一端与压电发电装置相连，所述第一可控开关的第二端与所述第一超级电容的第一端相连；

所述第四可控开关的第一端与所述第二超级电容的第二端相连，所述第四可控开关的第二端与开关控制电路相连；

所述第二可控开关的第一端与所述第一超级电容的第二端相连，所述第二可控开关的第二端与开关控制电路相连；

所述第二单片机控制单元与所述第一超级电容、第二超级电容、第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和第四可控开关分别相连；

所述第二单片机控制单元，用于实时监测所述第一超级电容和所述第二超级电容的电量，并根据所述第一超级电容和所述第二超级电容的电量控制第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和/或第四可控的开闭，以控制压电发电装置为第一超级电容或第二超级电容充电，以及第一超级电容或第二超级电容为所述开关控制电路供电。

进一步地，所述第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和/或第四可控开关为N沟道增强型MOS管。

进一步地，所述第二单片机控制单元为ATMEGA128单片机。

由上述技术方案可知，本发明所述的开关控制电路实现了检测对象的转换，避开了对压电材料两端正弦电压的极值检测，转而对对应余弦电压信号的过零点检测，降低了检测难度，提高了开关动作的准确性，而且开关闭合时长可由模拟移相器调节，便于应用于多种能量回收电路。本发明所述的开关控制电路的自供电电路通过两个超级电容交替充放电为开关控制电路的有源器件供电，从而保证开关控制电路及其对应的压电发电装置的独立性，使得开关控制电路不再需要外接电源。

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他的附图。

图1是本发明第一个实施例提供的开关控制电路的结构示意图；

图2是本发明第一个实施例提供的开关控制电路的原理示意图；

图3是本发明第一个实施例提供的开关控制电路工作过程出现的波形图；

图4是本发明第一个实施例提供的单片机的工作程序流程图；

图5是本发明第二个实施例提供的自供电电路的结构示意图；

图6是本发明第二个实施例提供的自供电电路的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明第一个实施例提供了一种开关控制电路，该开关控制电路用于控制能量回收电路对压电发电装置产生的能量进行回收。一般地，所述能量回收电路主要包括同步电荷提取电路、串（并）联电感同步开关电路和双同步开关电感电路。本实施例提供的开关控制电路主要用于控制电荷提取电路进行电荷提取。

参见图1，该开关控制电路包括：分路单元10，微分器单元20、模拟移相器单元30、开环放大电路单元40和第一单片机控制单元50；

所述分路单元10，用于将压电发电装置中的压电材料两端产生的正弦电压信号分成完全相同的第一正弦电压信号和第二正弦电压信号；

所述微分器单元20，用于将所述第一正弦电压信号转换为第一余弦电压信号；所述微分器单元20可以用微分电路实现；

所述模拟移相器单元30，用于将所述第二正弦电压信号进行1/m移相；所述移相后的正弦电压信号经过所述微分器单元20，得到第二余弦电压信号；所述模拟移相器单元30可以用模拟移相器实现；

所述开环放大电路单元40，用于对所述第一余弦电压信号和所述第二余弦电压信号分别进行开环放大，得到幅值和周期均相同的第一方波信号和第二方波信号；

所述第一单片机控制单元50，用于对所述第一方波信号和第二方波信号的跳变沿进行检测，并在检测到所述第一方波信号或第二方波信号的跳变沿时交替输出用于控制开关闭合和断开的控制信号，开关闭合时，所述能量回收电路对所述压电发电装置产生的能量进行回收，开关断开时，所述能量回收电路停止对所述压电发电装置产生的能量的回收。

优选地，所述控制信号为高低电平信号，其中，高电平信号用于控制开关闭合，低电平信号用于控制开关断开。

其中，所述开环放大电路单元将所述第一和第二余弦信号的过零点转变为方波信号的跳变沿，然后接第一单片机控制单元的输入端，当第一单片机控制单元检测到跳变沿时输出高低电平控制开关动作。本实施例所述开关控制电路，将开关动作时间的检测点转变为压电材料两端电压的过零点时刻，降低了检测难度，提高了开关控制的准确性，因而提高了压电式发电能量回收效率。

优选地，所述m的取值为2或4。当然，根据需要所述m的取值还可以为3、6、8等其他值。

本实施例所述开关控制电路，开关闭合时长可由模拟移相器调节，便于应用于多种能量回收电路。因此，本实施例所述开关控制电路是一种通用式压电发电能量回收电路的开关控制电路。

优选地，所述开关控制电路还包括运算放大器单元（图中未示出）；所述运算放大器单元与所述分路单元10相连，用于对所述第一正弦电压信号和第二正弦电压信号进行信号放大。

本实施例提供的开关控制电路的原理示意图如图2所示，本实施例以m=4为例，其中所述第一单片机控制单元采用ATMEGA128单片机。

具体地，参见图2，首先将压电材料产生的正弦电压信号通过运算放大器单元（如运算放大器（U1））进行幅值调节，并输出两路完全相同正弦信号a和b，分别控制开关的闭合与关断。

根据同步电荷提取电路的要求，电路在压电材料两端电压达到最大时导通，经过1/4个LC振荡周期后关断，即开关控制电路需检测信号a的极值时间点以及确定开关断开时间点，实现方法如下：

正弦信号a经过一个微分电路（U2），输出余弦信号a1，此时信号a1的过零点对应正弦信号a的极值点，从而开关的闭合时间点转换为信号a1的过零时刻；正弦信号b首先经过模拟移相器，调节可变电阻RV使其波形沿时间轴向右移动LC振荡周期的1/4个时间长度，再经过微分电路（U9），输出余弦信号b1，则该信号的过零时刻即为开关的断开时间点。

得到开关动作时间点后，由单片机在对应的时间点输出控制信号。将余弦信号a1、b1分别经开环放大电路单元（U3和U10），此时余弦信号a1、b1的过零点变为两路方波信号的上升沿和下降沿，且后一路信号的下降沿（上升沿）比前一路信号的下降沿（上升沿）延时1/4个LC振荡周期，这两路方波信号作为单片机的输入，单片机每检测到一个跳变沿就输出电平信号控制开关动作。假设单片机先检测到一个下降沿，同时输出高电平，开关闭合，同步电荷提取电路开始工作；1/4个LC振荡周期后，单片机又检测到一个下降沿，同时输出低电平，开关断开，电路关断。

用波形图表示以上步骤如图3所示，图中波形（1）为压电材料两端电压经过运放调整幅值后的输出，即正弦信号a、b的波形。根据能量回收电路的要求，该正弦信号的波峰和波谷所对应的时刻即开关的闭合时间点。

波形（2）为正弦信号a经过微分电路的输出，即余弦信号a1。此时开关的闭合时间点转变为该信号的过零点。

波形（3）为正弦信号b移相后再经微分电路的输出，即余弦信号b1。该信号的过零点对应开关断开的时间点。

余弦信号a1、b1相位差所夹的时间即开关的闭合时间长度，即波形（3）中的Δt，对于同步电荷提取电路来说，Δt=1/4个LC振荡周期。而对于其他的能量回收电路（或同一个回收电路相关参数的改变），可通过调节可变电阻RV来改变Δt。

最终的开关控制信号由单片机输出，单片机程序流程如图4所示。其中输入信号S11（S21）、S12（S22）分别为余弦信号a1、b1经开环放大后的方波信号，且这两路方波信号幅值、周期均相同，单片机程序检测到跳变信号时便输出高低电平控制开关动作。

从上面描述可知，本实施例所述的开关控制电路提供了一种模拟电路与单片机结合的检测控制方式，现简单介绍下该开关控制电路的工作流程。

S1：将压电材料两端的正弦电压信号分成完全相同的两路分别用来控制开关闭合与断开，即正弦信号a、b；

S2：对正弦信号a、b进行微分变换，得到余弦信号a1、b1，并通过模拟移相器调节信号b1的相位使之与信号a1形成相位差，则开关动作时间对应余弦信号的过零点；

S3：对余弦信号a1、b1进行开环放大，余弦信号的过零点转变为方波信号的跳变沿，然后接单片机的输入端，当单片机检测到跳变沿时输出高低电平控制开关动作。

其中，步骤S2将开关动作时间的检测点转变为压电材料两端电压的过零点时刻，降低了检测难度，提高了准确性。

其中，模拟移相器移相范围可调，即开关闭合时长可调，可适应不同能量回收电路的要求。

其中，所述步骤S3中，单片机的功能是检测跳变沿并输出高低电平，开关闭合时长与单片机程序无关。

由于经过模拟电路的处理，开关闭合与断开的控制信号已经分离且开关动作点可准确捕捉，单片机只需检测跳变信号并输出高低电平，避免了单片机程序进行极值检测，从而保证了开关动作的精确性和回收电路的高效性；其次，开关闭合时长通过模拟移相器中的可变电阻调节，与单片机程序无关，根据不同回收电路的要求改变开关闭合时长极为便捷。

本实施例所述的开关控制电路，实现了检测对象的转换，避开了对压电材料两端正弦电压的极值检测，转而对对应的余弦电压信号的过零点检测，降低了检测难度，提高了开关动作的准确性，而且开关闭合时长可由模拟移相器调节，便于应用于多种能量回收电路。

参见图5虚线框标出的部分，在上述实施例提供的开关控制电路的基础之上，本发明第二个实施例提供了一种上述开关控制电路的自供电电路，包括第一超级电容、第二超级电容、第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关和第二单片机控制单元；

所述第三可控开关的第一端与压电发电装置相连，所述第三可控开关的第二端与所述第二超级电容的第一端相连；

所述第一可控开关的第一端与压电发电装置相连，所述第一可控开关的第二端与所述第一超级电容的第一端相连；

所述第四可控开关的第一端与所述第二超级电容的第二端相连，所述第四可控开关的第二端与开关控制电路相连；

所述第二可控开关的第一端与所述第一超级电容的第二端相连，所述第二可控开关的第二端与开关控制电路相连；

所述第二单片机控制单元与所述第一超级电容、第二超级电容、第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和第四可控开关分别相连；

所述第二单片机控制单元，用于实时监测所述第一超级电容和所述第二超级电容的电量，并根据所述第一超级电容和所述第二超级电容的电量控制第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和/或第四可控的开闭，以控制压电发电装置为第一超级电容或第二超级电容充电，以及第一超级电容或第二超级电容为所述开关控制电路供电。

优选地，所述第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和/或第四可控开关为N沟道增强型MOS管，可选型号2N7000，由逻辑电平对其控制。

本实施例提供的自供电电路原理图如图6所示，图中Q1到Q4表示第一至第四可控开关，SUPERCAP1和SUPERCAP2表示第一超级电容和第二超级电容。本实施例中可控开关Q1到Q4为NMOS管，由单片机控制导通和关断，从而实现两个超级电容充放电的转换。假设系统开始运行时，SUPERCAP1是充满电的状态，此时Q1关断、Q2导通，由SUPERCAP1为开关控制电路供电；而SUPERCAP2为充电状态，Q3导通，Q4关断。当SUPERCAP1提供的电压低于控制电路需要的最低电压时，即超级电容电量不足时，Q2、Q3关断，Q1、Q4导通，切换两个超级电容的工作状态，即SUPERCAP1处于充电状态，由SUPERCAP2为控制电路供电。以此便可实现该开关控制电路的自供电。

从上面描述可知，本实施例所述的自供电电路提供了一种双超级电容交替充放电的供电方式，由单片机实时监测超级电容的电量，然后选择其中一个为控制电路供电，另一个由压电发电装置充电，当前一个超级电容无法维持控制电路的正常工作时，则交换两个超级电容的工作状态，如此周而复始，实现控制电路的自供电。其中，在系统工作之前，保证其中一个超级电容预先充满电。

综上，本发明提供了一种开关控制电路及开关控制电路的自供电电路，其中开关控制电路实现了检测对象的转换，避开了对压电材料两端正弦电压的极值检测，转而对对应余弦电压信号的过零点检测，降低了检测难度，提高了开关动作的准确性，而且开关闭合时长可由模拟移相器调节，便于应用于多种能量回收电路。开关控制电路的自供电电路通过两个超级电容交替充放电为开关控制电路的有源器件供电，从而保证开关控制电路及其对应的压电发电装置的独立性，使得开关控制电路不再需要外接电源。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种开关控制电路，用于控制能量回收电路对压电发电装置产生的能量进行回收，其特征在于，该开关控制电路包括：分路单元，微分器单元、模拟移相器单元、开环放大电路单元和第一单片机控制单元；

所述分路单元，用于将压电发电装置中的压电材料两端产生的正弦电压信号分成完全相同的第一正弦电压信号和第二正弦电压信号；

所述微分器单元，用于将所述第一正弦电压信号转换为第一余弦电压信号；

所述模拟移相器单元，用于将所述第二正弦电压信号进行1/m移相；移相后的正弦电压信号经过所述微分器单元，得到第二余弦电压信号；

所述开环放大电路单元，用于对所述第一余弦电压信号和所述第二余弦电压信号分别进行开环放大，得到幅值和周期均相同的第一方波信号和第二方波信号；

所述第一单片机控制单元，用于对所述第一方波信号和第二方波信号的跳变沿进行检测，并在检测到所述第一方波信号或第二方波信号的跳变沿时交替输出用于控制开关闭合和断开的控制信号，开关闭合时，所述能量回收电路对所述压电发电装置产生的能量进行回收，开关断开时，所述能量回收电路停止对所述压电发电装置产生的能量的回收。

2.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述控制信号为高低电平信号，其中，高电平信号用于控制开关闭合，低电平信号用于控制开关断开。

3.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述m的取值为2或4。

4.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括运算放大器单元；所述运算放大器单元与所述分路单元相连，用于对所述第一正弦电压信号和第二正弦电压信号进行信号放大。

5.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一单片机控制单元为ATMEGA128单片机。

6.一种基于权利要求1～5任一所述开关控制电路的自供电电路，其特征在于，包括第一超级电容、第二超级电容、第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关和第二单片机控制单元；

所述第三可控开关的第一端与压电发电装置相连，所述第三可控开关的第二端与所述第二超级电容的第一端相连；

所述第一可控开关的第一端与压电发电装置相连，所述第一可控开关的第二端与所述第一超级电容的第一端相连；

所述第四可控开关的第一端与所述第二超级电容的第二端相连，所述第四可控开关的第二端与开关控制电路相连；

所述第二可控开关的第一端与所述第一超级电容的第二端相连，所述第二可控开关的第二端与开关控制电路相连；

所述第二单片机控制单元与所述第一超级电容、第二超级电容、第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和第四可控开关分别相连；

所述第二单片机控制单元，用于实时监测所述第一超级电容和所述第二超级电容的电量，并根据所述第一超级电容和所述第二超级电容的电量控制第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和/或第四可控的开闭，以控制压电发电装置为第一超级电容或第二超级电容充电，以及第一超级电容或第二超级电容为所述开关控制电路供电。

7.根据权利要求6所述的自供电电路，其特征在于，所述第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和/或第四可控开关为N沟道增强型MOS管。

8.根据权利要求6或7所述的自供电电路，其特征在于，所述第二单片机控制单元为ATMEGA128单片机。