CN106787088A - 应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路 - Google Patents

应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路，用于解决现有电源管理电路耗能大的技术问题。技术方案是由全桥整流器、Buck‑boost型DC‑DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块组成。全桥整流器的输入端直接与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck‑boost型DC‑DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck‑boost型DC‑DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck‑boost型DC‑DC开关变换器对储能器件的充电。当压电转换器输出的电能过小时，电源管理电路停止工作，进入休眠模式以减小功率消耗。

Description

应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路
技术领域
本发明涉及一种电源管理电路，特别是涉及一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路。
背景技术
文献1“Resistive impedance matching circuit for piezoelectric energyharvesting，Journal of Intelligent Material Systems and Structures,September2010,Vol.21,pp.1293-1302”公开了一种针对连续振动源的压电能量采集电路。该电路根据阻抗匹配时可实现最大能量传输的原理，使DC-DC开关变换器的输入阻抗与压电材料的输出阻抗相匹配，提高了压电能量采集系统的采集效率。该电路具有结构简单、功耗低的特点。但该电路方案存在的缺点是当没有外部输入能量时，电源管理电路仍然持续工作，浪费电能，导致能量采集系统的效率降低。另外，该电路不能实现自启动和自供电，需要外部供电。
发明内容
为了克服现有电源管理电路耗能大的不足，本发明提供一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路。该电源管理电路由全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块组成。全桥整流器的输入端直接与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器对储能器件的充电。当压电转换器输出的电能过小时，电源管理电路停止工作，进入休眠模式以减小功率消耗。可实现自启动和自供电，不需要加入外部电源。实时监测储能器件的电压，当该电压等于或大于储能器件的饱和电压时，电源管理电路停止对储能器件充电，以达到保护储能器件的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路，其特点是包括全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块。全桥整流器的输入端与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器对储能器件的充电。
所述开关信号控制器由启动单元、振荡器和过压保护单元三个模块组成。启动单元用于检测压电转换器的输出电能大小，以控制电源管理电路在正常工作模式和休眠模式之间切换；同时存储压电转换器的部分输出电能，为电源管理电路提供工作电压，以实现自供电。当压电转换器的输出电能小于确定的阈值时，启动单元控制电源管理电路停止工作，使其进入休眠状态；而当压电转换器的输出电能大于某个确定的阈值时，启动单元产生恒定的直流电压，为电源管理电路提供工作电压，电源管理电路进入正常工作模式，实现对储能器件的充电。振荡器在正常工作时，产生具有确定频率和占空比的周期性方波信号，控制DC-DC开关变换器的开关管NM1的关断和闭合，使其输入阻抗与压电转换器的输出阻抗相匹配，以实现最大能量采集和传输。过压保护单元在正常工作时，监测储能器件的电压，当储能器件的电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元控制电源管理电路停止对储能器件充电，达到保护储能器件的目的。而当储能器件上的电压小于储能器件的饱和电压时，电源管理电路正常工作，为储能器件持续充电。
启动单元的输入端1连接至全桥整流器的正极输出端，定义为输入端1，启动单元的输入端2连接过压保护单元的输出端。启动单元的输出端同时连接至振荡器的正电源端和与过压保护单元的负电源端相串联的NMOS晶体管NM3的栅极。二极管D7、电阻R1和电容C1依次串联后连接到启动单元的输入端1与接地端。电容C1与稳压二极管D8并联，电容C1的上极板为启动单元的输出端VCC。NMOS晶体管NM2的栅极连接至过压保护单元的输出端，NMOS晶体管NM2的漏极和源极分别连接到启动单元的输出端VCC和接地端。NMOS晶体管NM3的栅极连接至输出端VCC、源极连接接地端、漏极连接至过压保护单元的负电源端。
过压保护单元由比较器和两个串联分压电阻构成，比较器的其中一个输入端连接基准电压VREF，另一个输入端连接至两个串联分压电阻的中间点，这两个串联分压电阻连接在储能器件的两端，其中间点的电压为储能器件电压的按比例缩小电压。比较器的输出端连接至NMOS晶体管NM2的栅极。比较器的正电源端连接至储能器件的正极性端，负电源端连接至NMOS晶体管NM3的漏极。当储能器件的电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出的高电平使NMOS晶体管NM2导通，此时VCC变为零电平，NMOS晶体管NM3关断，振荡器和过压保护单元均不工作，DC-DC开关变换器停止对储能器件充电。当储能器件的电压小于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出的低电平使NMOS晶体管NM2关断，DC-DC开关变换器对储能器件进行充电。
振荡器用于产生具有确定频率和占空比的周期性方波信号，控制Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的通断。通过选择周期性方波信号的开关频率和占空比参数，使DC-DC开关变换器的输入电阻与压电转换器的最优负载阻抗相匹配，以获取最大能量。由于冲击式压电转换器的最优负载阻抗近似等于压电材料的最小自然频率阻抗，通过设定振荡器所产生的周期性方波信号的频率和占空比，使DC-DC开关变换器的输入阻抗等于压电材料的最小自然频率阻抗。
本发明的有益效果是：该电源管理电路由全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块组成。全桥整流器的输入端直接与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器对储能器件的充电。当压电转换器输出的电能过小时，电源管理电路停止工作，进入休眠模式以减小功率消耗。可实现自启动和自供电，不需要加入外部电源。实时监测储能器件的电压，当该电压等于或大于储能器件的饱和电压时，电源管理电路停止对储能器件充电，以达到保护储能器件的目的。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路的结构框图。
图2是本发明应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路的具体实现方案。
图3是本发明应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路在储能器件正常充电时的信号波形图。
图4是本发明应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路在储能器件充满电时的信号波形图。
具体实施方式
以下实施例参照图1～4。
本发明应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路由全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块组成。全桥整流器的输入端直接与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器对储能器件的充电。
开关信号控制器由启动单元、振荡器和过压保护单元三个模块组成。启动单元的功能包括：1)检测压电转换器的输出电能大小，以控制电源管理电路在正常工作模式和休眠模式之间切换；2)存储压电转换器的部分输出电能，为电源管理电路提供工作电压，以实现自供电。当压电转换器的输出电能小于某个确定的阈值时，启动单元控制电源管理电路停止工作，使其进入休眠状态；而当压电转换器的输出电能大于某个确定的阈值时，启动单元产生恒定的直流电压，为电源管理电路提供工作电压，电源管理电路进入正常工作模式，从而实现对储能器件的充电。振荡器在正常工作时，产生具有确定频率和占空比的周期性方波信号，控制DC-DC开关变换器的开关管NM1的关断和闭合，使其输入阻抗与压电转换器的输出阻抗相匹配，以实现最大能量采集和传输。过压保护单元在正常工作时，监测储能器件的电压，当该电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元控制电源管理电路停止对储能器件充电，以达到保护储能器件的目的。而当储能器件上的电压小于储能器件的饱和电压时，电源管理电路正常工作，为储能器件持续充电。
开关信号控制器的启动单元用于检测压电转换器的输出电能大小，以控制电源管理电路在正常工作模式和休眠模式之间切换；另外，启动单元用于存储压电转换器的部分输出电能，为电源管理电路提供工作电压，以实现自供电。启动单元的其中一个输入端连接至全桥整流器的正极输出端，定义为输入端1，而另一个输入端连接过压保护单元的输出端，定义为输入端2。启动单元的输出端同时连接至振荡器的正电源端和与过压保护单元的负电源端相串联的NMOS晶体管NM3的栅极。二极管D7、电阻R1和电容C1依次串联后连接到启动单元的输入端1与接地端。电容C1与稳压二极管D8并联，电容C1的上极板为启动单元的输出端VCC。NMOS晶体管NM2的栅极连接至过压保护单元的输出端，NMOS晶体管NM2的漏极和源极分别连接到启动单元的输出端VCC和接地端。NMOS晶体管NM3的栅极连接至输出端VCC、源极连接接地端、漏极连接至过压保护单元的负电源端。
过压保护单元由比较器和两个串联分压电阻构成，比较器的其中一个输入端连接基准电压VREF，另一个输入端连接至两个串联分压电阻的中间点，这两个串联分压电阻连接在储能器件的两端，其中间点的电压为储能器件电压的按比例缩小电压。比较器的输出端连接至NMOS晶体管NM2的栅极。比较器的正电源端连接至储能器件的正极性端，负电源端连接至NMOS晶体管NM3的漏极。当储能器件的电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出的高电平使NMOS晶体管NM2导通，此时VCC变为零电平，NMOS晶体管NM3关断，振荡器和过压保护单元均不工作，DC-DC开关变换器停止对储能器件充电。当储能器件的电压小于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出的低电平使NMOS晶体管NM2关断，DC-DC开关变换器对储能器件进行充电。
振荡器用于产生具有确定频率和占空比的周期性方波信号，控制Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的通断。通过选择周期性方波信号的开关频率和占空比参数，使DC-DC开关变换器的输入电阻与压电转换器的最优负载阻抗相匹配，以获取最大能量。由于冲击式压电转换器的最优负载阻抗近似等于压电材料的最小自然频率阻抗，通过设定振荡器所产生的周期性方波信号的频率和占空比，可使DC-DC开关变换器的输入阻抗等于压电材料的最小自然频率阻抗。
为了从压电转换器获取最大能量，要求Buck-boost型DC-DC开关变换器的等效输入电阻与压电转换器的输出电阻相匹配。Buck-boost型DC-DC开关变换器的等效输入电阻由功率级的电感值以及开关管NM1的导通和关闭时间决定，可用1)式表示，其中L为电感值，Ts为开关信号的周期，D为开关信号的占空比。
全桥整流器由4个肖特基二极管D1、D2、D3、D4以及滤波电容Cin组成。Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级电路由开关管NM1、电感L、肖特基二极管D5和储能器件组成。开关信号控制器由启动单元、振荡器以及过压保护单元三个模块组成。
启动单元由肖特基二极管D7、电阻R1、电容C1、稳压二极管D8、NMOS晶体管NM2和NM3组成。当储能器件未被充满电时，NMOS晶体管NM2处于关断状态，此时压电转换器产生的交流电压经过全桥整流器整流后，经滤波电容Cin滤波变为直流电压，该电压通过二极管D7和电阻R1对电容C1充电，同时通过稳压二极管D8将电容C1中的电压稳定在2.5V。电容C1两端的电压VCC用作振荡器的供电电源，同时作为NMOS晶体管NM3的栅极控制电压。当电容C1两端的电压VCC大于振荡器的工作电压时，振荡器开始工作，同时当VCC大于NMOS晶体管NM3的阈值电压时，过压保护单元的负电源端接地，过压保护单元开始正常工作。此种情况下，电源管理电路处于正常工作模式，为储能器件充电。与此相反，当压电转换器无输出电能或输出电能小于某个确定的阈值时，由于电容C1两端的电压VCC太小不足以为振荡器供电，此时，振荡器不工作，另外，由于VCC小于NMOS晶体管NM3的阈值电压，NMOS晶体管NM3关断，过压保护单元的负电源端被悬空，过压保护单元也停止工作。因此，电源管理电路进入休眠模式，DC-DC开关变换器停止对储能器件充电。随着充电的进行，当储能器件的电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出的高电平使NMOS晶体管NM2导通，此时VCC端被短接到地，电容C1中储存的电能通过NMOS晶体管NM2释放。由于此时VCC变为零电平，NMOS晶体管NM3关断，振荡器和过压保护单元均不工作，DC-DC开关变换器停止对储能器件充电。当储能器件的电压恢复到小于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出低电平，使NMOS晶体管NM2关断，DC-DC开关变换器恢复对储能器件的充电。
过压保护单元采用自带基准电压的低功耗比较器LTC1540(A2)以及电阻Ro1和Ro2实现。当电容C1两端的电压VCC大于NMOS晶体管NM3的阈值电压时，过压保护单元正常工作。正常工作时，电阻Ro1和电阻Ro2按比例分配储能器件的输出电压Vout，并与基准电压VREF(＝1.2V)相比较。当电阻Ro2两端的电压高于VREF时，说明储能器件已充满电，此时比较器A2输出为高电平，否则输出为低电平。如果A2输出为高电平，则NMOS晶体管NM2导通，VCC接地，振荡器和和过压保护单元均不工作，DC-DC开关变换器停止工作，对储能器件的充电停止，以起到保护储能器件的作用。反之，当A2输出为低电平时，NMOS晶体管NM2关断，VCC输出正常值，对储能器件正常充电。
振荡器采用低功耗比较器MCP6547(A1)以及电阻RC1～RC5、电容CC和肖特基二极管D6实现。当电容C1两端的电压VCC大于振荡器的工作电压时，振荡器正常工作，振荡器输出的开关信号的周期Ts和占空比D分别可由2)式和3)式表示。
应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路在储能器件正常充电时的信号波形包括压电转换器的输出信号、启动单元的输出信号VCC，振荡器的输出信号VA1，过压保护单元的电源电流IA2，过压保护单元的输出电压VA2以及储能器件的输出电压Vout。这里，冲击压电材料的冲击频率设置为5Hz，压电材料的输出阻抗设置为10kΩ，压电材料的开路峰值电压设置为60V。当压电转换器的输出电压上升至大于全桥整流器的导通电压以及启动单元的开启电压之和时，输入电能存储到电容C1中，电容C1两端的电压开始上升。当电容C1两端的电压VCC大于振荡器的工作电压时，振荡器输出周期性的方波信号，以控制DC-DC开关变换器对储能器件充电，储能器件的输出电压Vout开始上升。此时电容C1中存储输入能量的一小部分为振荡器供电。在正常工作模式下，过压保护单元监测储能器件的电压，当该电压低于储能器件的饱和电压时，过压保护单元的输出为零电平，电容C1为振荡器供电，储能器件被正常充电。当压电转换器的输出能量过低时，VCC中的电压太小不足以为振荡器供电，同时过压保护单元的负电源端悬空，振荡器和过压保护单元均不工作，电源管理电路进入休眠模式，DC-DC开关变换器停止对储能器件充电。
应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路在储能器件充满电时的信号波形包括压电转换器的输出电压，储能器件的电压Vout，过压保护单元的输出电压VA2，启动单元的输出电压VCC以及振荡器的输出电压VA1。这里，冲击压电材料的冲击频率设置为5Hz，压电材料的输出阻抗设置为10kΩ，压电材料的开路峰值电压设置为60V。由图4可看出，当储能器件的电压Vout一旦大于4.2V(饱和电压)时，储能器件已充满电，过压保护单元动作，其输出电压VA2变为高电平，使得启动单元的输出电压VCC变为零，振荡电路停止工作，DC-DC变换器停止对储能器件充电。此时，输入的电能暂时存储在电容Cin中，不再为储能器件充电。

Claims (1)

1.一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路，其特征在于：包括全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块；全桥整流器的输入端与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器；开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器对储能器件的充电；
所述开关信号控制器由启动单元、振荡器和过压保护单元三个模块组成；启动单元用于检测压电转换器的输出电能大小，以控制电源管理电路在正常工作模式和休眠模式之间切换；同时存储压电转换器的部分输出电能，为电源管理电路提供工作电压，以实现自供电；当压电转换器的输出电能小于确定的阈值时，启动单元控制电源管理电路停止工作，使其进入休眠状态；而当压电转换器的输出电能大于某个确定的阈值时，启动单元产生恒定的直流电压，为电源管理电路提供工作电压，电源管理电路进入正常工作模式，实现对储能器件的充电；振荡器在正常工作时，产生具有确定频率和占空比的周期性方波信号，控制DC-DC开关变换器的开关管NM1的关断和闭合，使其输入阻抗与压电转换器的输出阻抗相匹配，以实现最大能量采集和传输；过压保护单元在正常工作时，监测储能器件的电压，当储能器件的电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元控制电源管理电路停止对储能器件充电，达到保护储能器件的目的；而当储能器件上的电压小于储能器件的饱和电压时，电源管理电路正常工作，为储能器件持续充电；
启动单元的输入端1连接至全桥整流器的正极输出端，定义为输入端1，启动单元的输入端2连接过压保护单元的输出端；启动单元的输出端同时连接至振荡器的正电源端和与过压保护单元的负电源端相串联的NMOS晶体管NM3的栅极；二极管D7、电阻R1和电容C1依次串联后连接到启动单元的输入端1与接地端；电容C1与稳压二极管D8并联，电容C1的上极板为启动单元的输出端VCC；NMOS晶体管NM2的栅极连接至过压保护单元的输出端，NMOS晶体管NM2的漏极和源极分别连接到启动单元的输出端VCC和接地端；NMOS晶体管NM3的栅极连接至输出端VCC、源极连接接地端、漏极连接至过压保护单元的负电源端；
过压保护单元由比较器和两个串联分压电阻构成，比较器的其中一个输入端连接基准电压VREF，另一个输入端连接至两个串联分压电阻的中间点，这两个串联分压电阻连接在储能器件的两端，其中间点的电压为储能器件电压的按比例缩小电压；比较器的输出端连接至NMOS晶体管NM2的栅极；比较器的正电源端连接至储能器件的正极性端，负电源端连接至NMOS晶体管NM3的漏极；当储能器件的电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出的高电平使NMOS晶体管NM2导通，此时VCC变为零电平，NMOS晶体管NM3关断，振荡器和过压保护单元均不工作，DC-DC开关变换器停止对储能器件充电；当储能器件的电压小于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出的低电平使NMOS晶体管NM2关断，DC-DC开关变换器对储能器件进行充电；
振荡器用于产生具有确定频率和占空比的周期性方波信号，控制Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的通断；通过选择周期性方波信号的开关频率和占空比参数，使DC-DC开关变换器的输入电阻与压电转换器的最优负载阻抗相匹配，以获取最大能量；由于冲击式压电转换器的最优负载阻抗近似等于压电材料的最小自然频率阻抗，通过设定振荡器所产生的周期性方波信号的频率和占空比，使DC-DC开关变换器的输入阻抗等于压电材料的最小自然频率阻抗。
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