CN105743391A - 一种基于稳压器的微型温差发电器 - Google Patents

一种基于稳压器的微型温差发电器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于稳压器的微型温差发电器，包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，本发明以微型温差发电器作为能量源，以德州仪器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为DC?DC升压变换器实现了可以从低至80mV的能量源采集能量，并利用外围电路实现对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器，实现了微型温差能量的有效采集和利用。

Description

一种基于稳压器的微型温差发电器
技术领域
本发明涉及一种发电器控制系统，尤其涉及一种基于稳压器的微型温差发电器，属于发电控制领域。
背景技术
在全球面临能源紧缺、气候变暖等严重问题的情况下，人类为了生存和发展转而去寻找和利用清洁能源技术。清洁能源包括太阳能、风能、热能、振动能、海洋能，以及其他能量如人体动能、生化能等能量。随着科技的发展，无线传感器网络技术已经渗透到人类生产和生活的方方面面。无线通信网已经逐步发展到能为任何人和物件之间随时、随地通信的物联网，网络的规模极速扩大，但与此同时物联网的总体的稳定性和可持续发展问题也越来越突出。与此同时，为了满足人类生活的需要，越来越多的传感器需要被安放在人迹罕至或者环境恶劣的地区，这些地区恶劣的环境决定了人们无法使用化学电池为无线传感器节点供电，因为在这些地区更换化学电池往往是一件不太可能的事情。正因为这些原因，本发明才想到采用可再生能源为无线通信节点供能来解决这些问题。
例如申请号“200920126143.1”的一种便携式微型温差发电器,包括燃料储存罐和至少一组温差发电模块；每组温差发电模块由两块叠合的温差发电模块构成；所述两块温差发电模块相邻侧壁设有催化燃烧热源通道,所述两块温差发电模块相对侧分别设有燃料预热通道；即催化燃烧热源通道位于温差发电模块的热端；所述燃料预热通道位于温差发电模块的冷端；所述催化燃烧通道为蛇形通道,其进气口与燃料预热通道相连通,其出口为废物排放口；燃料预热通道与燃料储存罐相连。它采用催化燃烧为温差发电模块供热,可以在较低温度下实现无烟燃烧,安全性高；该温差发电装置具有结构简单,重量轻、携带方便,比能量高,可以较长时间工作等特点。用于单兵电源和野外用电尤其方便。
又如申请号为“201310232020.7”的一种微型热电器件、制作方法及包括其的温差发电机。该微型热电器件包括：第一基板，设置有图案化的第一电极层；第一阻挡层，设置在第一电极层上；二氧化硅层，设置在第一基板和第一阻挡层上；热电元件，设置在二氧化硅层中；图案化的第二阻挡层，设置在二氧化硅层和热电元件上；第二电极层，设置在图案化的第二阻挡层上；以及第二基板，设置在第二电极层上。该发明提供的微型热电器件的结构适于半导体集成工艺技术，解决了目前微米级热电器件产业化过程中存在的难以实现大规模精密加工的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种结构简单其能够利用温差发电的微型温差发电器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于稳压器的微型温差发电器，包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电源能量管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器；所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容的输入端连接在升压电路和稳压器之间；
所述稳压器包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和升压电路的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后连接第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。
作为本发明一种基于稳压器的微型温差发电器的进一步优选方案，所述温差电能收集器采用热电转换芯片。
作为本发明一种基于稳压器的微型温差发电器的进一步优选方案，所述升压电路的芯片型号为BQ25504。
作为本发明一种基于稳压器的微型温差发电器的进一步优选方案，所述比较器的芯片型号为MIC841N。
作为本发明一种基于稳压器的微型温差发电器的进一步优选方案，所述稳压器的芯片型号为TPS78001。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明以微型温差发电器作为能量源，以德州仪器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为DC-DC升压变换器实现了可以从低至80mV的能量源采集能量，并利用外围电路实现对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器，实现了微型温差能量的有效采集和利用。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明稳压器的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于稳压器的微型温差发电器，包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电源能量管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器；所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容的输入端连接在升压电路和稳压器之间；
如图2所示，所述稳压器包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和升压电路的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后连接第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。
其中，所述温差电能收集器采用热电转换芯片，所述升压电路的芯片型号为BQ25504，所述比较器的芯片型号为MIC841N，所述稳压器的芯片型号为TPS78001。
本发明以微型温差发电器作为能量源，以德州仪器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为DC-DC升压变换器实现了可以从低至80mV的能量源采集能量，并利用外围电路实现对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器，实现了微型温差能量的有效采集和利用。
微型温差发电器供电的无线传感器网络节点的发射端结构由温差电能收集器、具有MPPT功能的升压电路、能量缓冲器和系统负载(无线传感器节点)组成。温差电能收集器是由热电转换芯片组成的，可以根据实际的应用场所的大小和所需电能的多少决定热电转换芯片表面积大小和叠加的层数，用以满足不同的应用环境。
电源管理集成电路主要是由最大功率点跟踪模块(MPPT)、电能输出接口、升压电路(DC-DC升压模块)、能量缓冲器构成。其中能量缓冲器电路由储能电容、比较器电路和稳压器电路构成。负载主要包括处理传感器采集到的数据，并通过无线发射模块发射出去。
BQ25504电源管理芯片主要实现了从热能转换模块中以超低功耗汲取能量。BQ25504是一个16个引脚的、3mm*3mm分装的高效率能量管理芯片，16个引脚依次逆时针分布，本发明通过合理地应用这些引脚的相应的功能，实现了微型能量的高效管理。除此之外，该芯片的一个显著优点是拥有超低的工作启动电压，这使得它可以在稳定工作时从低至80mv的能量源提取能量，并对超低电压进行升压转换，以便后续电路进行存储使用。搭配合适的外围电路实现了从超低功率能量源采集电能的最大功率点跟踪，这对于微型温差能量自供给系统有着至关重要的作用。同时通过外围电路设定过压和欠压的电路保护，保证芯片的稳定工作。
MIC841N是一个超低功耗的具有内部参考电压的双电压比较器。在本发明通过设置其电压比较的上限和下限来驱动后面的线性稳压器。其工作的特点是，通过不断的检测引脚VDD上的电压，并与引脚LTH和HTH上设定的工作电压进行比较，从而确定输出的电压(即引脚OUT的输出信号)的高低，进而控制稳压器TPS78001的工作状态。
TPS78001是TI生产的超低功耗稳压器，它可以实现电路输出电压的稳压作用，通过设置相应的外围电路的电阻参数，可以使输出得到一个稳定的电压，这样就可以稳定地驱动后面的无线传感器发射节点。
MPPT是一种最大化利用发电器所产生电能的技术。本发明通过一定的电气模块调节微型温差发电器的温差芯片的输出电压，从而实现温差发电器输出功率的最大化。根据已知的微型温差发电器的输出特性曲线，当输出的电压大约等于开路电压的50%时可以得到最大的输出功率。从TEG提取最大功率的技术主要是动态改变DC/DC转换器开关频率，本发明根据这一特性利用BQ25504采用了电阻比例分压法实现了输出电压为开路电压的一半，进而实现了输出功率的最大化。
总之，一种基于稳压器的微型温差发电器，包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电能管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器，所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容连接在升压电路和稳压器之间。
本发明通过高效的能量收集和有效的能量管理实现了无线传感器网络的功能，成为了真正的能量自供给无线传感器系统，同时也顺应了现在我国通信行业绿色无线电的发展要求，。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于稳压器的微型温差发电器，其特征在于：包含依次连接的温差电能收集器、电源能量管理电路，所述电源能量管理电路包含MPPT模块、电能输出接口、升压电路和能量缓冲器，所述能量缓冲器包含储能电容、比较器和稳压器；所述MPPT模块的输出端连接电能输出接口的输入端、所述电能输出接口的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接稳压器的输入端，所述比较器和储能电容的输入端连接在升压电路和稳压器之间；
所述稳压器包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和升压电路的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后连接第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于稳压器的微型温差发电器，其特征在于：所述温差电能收集器采用热电转换芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于稳压器的微型温差发电器，其特征在于：所述升压电路的芯片型号为BQ25504。
4.根据权利要求1所述的一种基于稳压器的微型温差发电器，其特征在于：所述比较器的芯片型号为MIC841N。
5.根据权利要求1所述的一种基于稳压器的微型温差发电器，其特征在于：所述稳压器的芯片型号为TPS78001。
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