CN108365603A - 用于同时采集振动能和热能的能量采集系统 - Google Patents

用于同时采集振动能和热能的能量采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，包括：基于电感的同步开关振动能采集单元，用于采集振动能，并将振动能转化为直流电能输出，包含：压电装置；电感L，与压电装置并联；以及传输门，设于压电装置与电感L之间；热能采集单元，用于采集热能，并将热能转化为直流电能输出，与基于电感的同步开关振动能采集单元并联，包含：热电装置；电容C，与热电装置并联；以及NMOS管，设于热电装置与电容C之间、以及电容C与电感L之间；以及控制信号产生单元，产生控制信号，分别控制传输门的通断、以及NMOS管的通断，利用两次LC谐振，实现同时采集振动能和热能并整合输出。该系统可同时采集多种能量源，并进行自启动。

Description

用于同时采集振动能和热能的能量采集系统
技术领域
本公开属于电子电路技术领域，涉及一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统。
背景技术
能量采集技术通过捕获周围环境中的微弱能量，将其转换为电能，为负载提供工作所需的电源电压。单一能量源的能量采集系统在应用中存在一定的局限性，如能量源较弱，导致系统输出功率变小，使得负载无法正常工作。针对存在多种能量源的应用场景，为了增大能量采集系统的输出功率，提高能量源的利用率，可以采用多源能量采集系统对环境中的多种能量源同时进行采集，比如基于振动能和热能的多源能量采集。
而现有的基于振动能和热能的能量采集系统存在以下问题：能量采集电路通常以其中一个源，例如振动源或热源，产生的能量去驱动电路中的控制模块，把另一个源的能量作为主要输出。如此一来，对外输出的能量只来自于其中一个能量源，因此并不是真正意义上的多源能量采集。此外，在电路启动时必须有外接电源供电，否则无论输入多大的信号，都无法使电路开始工作。
因此，亟需提出一种可以实现同时采集多种能量源的能量采集系统，并且在电路启动时不需要外接电源供电，能够实现自启动供电。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，包括：基于电感的同步开关振动能采集单元，用于采集振动能，并将振动能转化为直流电能输出，包含：压电装置；电感L，与压电装置并联；以及传输门，设于压电装置与电感L之间；热能采集单元，用于采集热能，并将热能转化为直流电能输出，与基于电感的同步开关振动能采集单元并联，包含：热电装置；电容C，与热电装置并联；以及NMOS管，设于热电装置与电容C之间、以及电容C与电感L之间；以及控制信号产生单元，产生控制信号，分别控制基于电感的同步开关振动能采集单元中的传输门的通断、以及热能采集单元中的NMOS管的通断，利用两次LC谐振，实现同时采集振动能和热能并整合输出。
在本公开的一些实施例中，该用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，还包括：输出控制单元，其输入端与基于电感的同步开关振动能采集单元的输出端相连，该输出控制单元包含一NMOS管N1，该NMOS管N1采用二极管连接的方式，在该能量采集系统启动时导通，使控制信号产生单元开始工作，从而实现无需外接电源的自启动。
在本公开的一些实施例中，输出控制单元还包含：比较器COM1和传输门T1，该输出控制单元通过比较器COM1与传输门T1实现输出控制功能：当传输门T1的输入端电压大于输出端电压时，比较器COM1控制传输门T1导通；当传输门T1的输入端电压小于输出端电压时，比较器COM1控制传输门T1截止，使得该能量采集系统正常工作时，避免出现阈值电压损失。
在本公开的一些实施例中，传输门的结构包括：第一NMOS管TN1、第二NMOS管TN2、第三NMOS管TN3、第一PMOS管TP1、第二PMOS管TP2、以及第三PMOS管TP3；其中，第一NOMS管TN1的漏极与第二NMOS管TN2的漏极、第三NMOS管TN3的栅极、第一PMOS管TP1的源极、第二PMOS管TP2的漏极、以及第三PMOS管TP3的栅极相连，并作为传输门的输入端；第一NOMS管TN1的源极与第二NMOS管TN2的栅极、第三NMOS管TN3的漏极、第一PMOS管TP1的漏极、第二PMOS管TP2的栅极、以及第三PMOS管TP3的漏极相连，并作为传输门的输出端；第一NMOS管TN1的衬底与第二NMOS管TN2的衬底、第二NMOS管TN2的源极、第三NMOS管TN3的衬底、以及第三NMOS管TN3的源极相连；第一PMOS管TP1的衬底与第二PMOS管TP2的衬底、第二PMOS管TP2的源极、第三PMOS管TP3的衬底、以及第三PMOS管TP3的源极相连；第一NMOS管TN1的栅极、第一PMOS管TP1的栅极分别与控制信号产生单元相连，作为传输门的控制端。
在本公开的一些实施例中，传输门包括：第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3、以及第四传输门TG4；其中，电感L的一端与第一传输门TG1的输出端、第四传输门TG4的输出端相连；电感L的另一端与第二传输门TG2的输出端、第三传输门TG3的输出端相连；压电装置的一端与第一传输门TG1的输入端、第三传输门TG3的输入端相连；压电装置的另一端与第二传输门TG2的输入端、第四传输门TG4的输入端相连。
在本公开的一些实施例中，基于电感的同步开关振动能采集单元，还包含：整流模块，其中，压电装置的两端分别连接至整流模块的两个输入端；整流模块的输出端作为基于电感的同步开关振动能采集单元的输出端。
在本公开的一些实施例中，整流模块，包括：第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、以及第二PMOS管P2；其中，第一NMOS管N1的衬底、源极与第二NMOS管N2的衬底、源极相连至参考地处；第一PMOS管P1的衬底、源极与第二PMOS管P2的衬底、源极相连，并作为整流模块的输出端；第一NMOS管N1的漏极与第一PMOS管P1的漏极、第二PMOS管P2的栅极、以及第二NMOS管N2的栅极相连，并作为整流模块的输入端与压电装置的一输出端相连；第二NMOS管N2的漏极与第二PMOS管P2的漏极、第一PMOS管P1的栅极、以及第一NMOS管N1的栅极相连，并作为整流模块的输入端与压电装置的另一输出端相连。
在本公开的一些实施例中，NMOS管包括：第一NMOS管NT1、第二NMOS管NT2、第三NMOS管NT3、以及第四NMOS管NT4；其中，第一NMOS管NT1的衬底与第二NMOS管NT2的衬底、第三NMOS管NT3的衬底、第四NMOS管NT4的衬底、以及热电装置的负极相连至参考地处；第一NMOS管NT1的源极与第三NMOS管NT3的漏极、电容C的一端相连；第一NMOS管NT1的漏极与热电装置的正极相连；第二NMOS管NT2的漏极与热电装置的负极相连；第二NMOS管NT2的源极与第四NMOS管NT4的漏极、电容C的另一端相连；第三NMOS管NT3的源极、第四NMOS管NT4的源极分别与基于电感的同步开关振动能采集单元中的电感L的两端相连。
在本公开的一些实施例中，压电装置包括：并联的压电电容Cp、电流源Ip、以及压电电阻Rp；和/或热电装置包括：串联的电压源Vs和串联电阻Rs。
在本公开的一些实施例中，热能采集单元利用电容C存储热电装置产生的能量，利用LC谐振，将电容C上的能量转移到电感L中；每隔半个周期，在压电装置产生电流为零的时刻，电感L与压电电容Cp谐振，将压电电容Cp上的电压极性反转。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，具有以下有益效果：
(1)在热能采集单元中设置热电装置与电容C并联，并在热电装置和电容C之间设置由控制信号控制通断的NMOS管；在基于电感的同步开关振动能采集单元中设置压电装置与电感L并联，并在压电装置与电感L之间设置由控制信号控制通断的传输门；以及将热能采集单元与基于电感的同步开关振动能采集单元并联；并在热能采集单元中，电容C与电感L之间的电路中设置由控制信号控制通断的NMOS管；通过控制信号产生单元控制同步开关振动能采集单元中的传输门的通断、以及热能采集单元中的NMOS管的通断，利用两次LC谐振，即可实现同时采集振动能和热能并整合输出；
(2)在压电装置中设有用于存储电能的压电电容Cp，并将压电装置与电感L并联，帮助压电装置中的压电电容Cp实现电压翻转与热电装置采集的电能实现整合，增大了压电装置的振动阻尼，从而可增强压电装置的能量采集能力；
(3)在输出控制单元中设有传输门、NMOS管，该NMOS管以二极管的形式并联在传输门两端，在电路启动时导通，将负载电容CL的电压升高，从而使控制信号产生单元开始工作，实现无需外接电源的自启动功能，且电路规模小、易于微型化、便于携带，可应用于可携带式无线充电设备中。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的用于同时采集振动能和热能的能量采集系统的结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的传输门的电路结构示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的(a)压电装置和(b)热电装置的电路结构示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的用于同时采集振动能和热能的能量采集系统在一个振动周期内的工作过程示意图。
图5为根据本公开一实施例所示的输出控制单元的电路结构示意图。
【符号说明】
100-用于同时采集振动能和热能的能量采集系统；
110-基于电感的同步开关振动能采集单元；
111-压电装置；112-电感L；
113-整流模块；114-第一传输门TG1；
115-第二传输门TG2；116-第三传输门TG3；
117-第四传输门TG4；
120-热能采集单元；
121-热电装置；122-电容C；
123-第一NMOS管NT1；124-第二NMOS管NT2；
125-第三NMOS管NT3；126-第四NMOS管NT4；
130-控制信号产生单元；
140-输出控制单元；
141-比较器COM1；142-传输门T1；
143-NMOS管N1。
具体实施方式
本公开提供了一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，采用自供电设计，无需外接电源启动；在热能采集单元中采用电容存储热电装置产生的能量，利用LC谐振，将电容上的能量转移到电感中，每隔半个周期，在压电装置产生电流为零的时刻，电感L与压电电容Cp谐振，将压电电容Cp上的电压极性反转，利用两次LC谐振，可同时采集振动能、热能两种形式的能量，并整合输出。通过并联在整流电路旁的电感和电容，同时实现振动能与热能的能量采集，在时序电路的控制下利用LC谐振实现能量的整合输出，增大了压电装置的振动阻尼，在振动充足的情况下，可以增强压电装置的能量采集能力；且该电路无需引入外加电源、电路规模小、易于微型化、便于携带，可应用于可携带式无线充电设备中。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统。
图1为根据本公开一实施例所示的用于同时采集振动能和热能的能量采集系统的结构示意图。
参照图1所示，本公开的用于同时采集振动能和热能的能量采集系统100，包括：
基于电感的同步开关振动能采集单元110，用于采集振动能，并将振动能转化为直流电能输出，包含：压电装置111；电感L 112，与压电装置111并联；以及传输门，设于压电装置111与电感L 112之间；
热能采集单元120，用于采集热能，并将热能转化为直流电能输出，与基于电感的同步开关振动能采集单元110并联，包含：热电装置121；电容C 122，与热电装置121并联；以及NMOS管，设于热电装置121与电容C 122之间、以及电容C 122与电感L 112之间；
控制信号产生单元130，产生控制信号，分别控制基于电感的同步开关振动能采集单元110中的传输门的通断、以及热能采集单元120中的NMOS管的通断，利用两次LC谐振，实现同时采集振动能和热能并整合输出；以及
输出控制单元140，其输入端与基于电感的同步开关振动能采集单元110的输出端相连，在该能量采集系统启动时导通，使控制信号产生单元130开始工作，从而实现无需外接电源的自启动；包含：比较器COM1 141和传输门T1142，在该能量采集系统正常工作时，避免出现阈值电压损失。
下面结合附图，对本实施例的用于同时采集振动能和热能的能量采集系统的各个部分进行详细介绍。
参照图1所示，本实施例中，基于电感的同步开关振动能采集单元110包含：压电装置111、电感L 112、整流模块113、第一传输门TG1 114、第二传输门TG2115、第三传输门TG3116、以及第四传输门TG4117。
其中，压电装置111的两端分别连接至整流模块113的两个输入端；整流模块113的输出端作为基于电感的同步开关振动能采集单元110的输出端。
电感L 112的一端与第一传输门TG1 114的输出端、第四传输门TG4117的输出端相连；电感L 112的另一端与第二传输门TG2115的输出端、第三传输门TG3116的输出端相连。
压电装置111的一端与第一传输门TG1 114的输入端、第三传输门TG3116的输入端相连；压电装置的另一端与第二传输门TG2115的输入端、第四传输门TG4117的输入端相连。
第一传输门TG1 114、第二传输门TG2115、第三传输门TG3116、第四传输门TG4117的控制端均与控制信号产生单元130相连，具体的，参见图1所示，第一传输门TG1114和第二传输门TG2115由控制信号产生单元130产生的控制信号1所控制；第三传输门TG3116和第四传输门TG4117由控制信号产生单元130产生的控制信号2所控制，控制信号1和控制信号2的时序图参见图4中(b)、(c)所示。
图2为根据本公开一实施例所示的传输门的电路结构示意图。
本公开中，优选第一传输门TG1 114、第二传输门TG2115、第三传输门TG3116、以及第四传输门TG4117的结构相同，下面参照图2来介绍本实施例中传输门的结构。
参照图2所示，第一传输门TG1 114包括：第一NMOS管TN1、第二NMOS管TN2、第三NMOS管TN3、第一PMOS管TP1、第二PMOS管TP2、以及第三PMOS管TP3。
其中，第一NOMS管TN1的漏极与第二NMOS管TN2的漏极、第三NMOS管TN3的栅极、第一PMOS管TP1的源极、第二PMOS管TP2的漏极、以及第三PMOS管TP3的栅极相连，并作为第一传输门TG1 114的输入端。
其中，第一NOMS管TN1的源极与第二NMOS管TN2的栅极、第三NMOS管TN3的漏极、第一PMOS管TP1的漏极、第二PMOS管TP2的栅极、以及第三PMOS管TP3的漏极相连，并作为第一传输门TG1的输出端。
其中，第一NMOS管TN1的衬底与第二NMOS管TN2的衬底、第二NMOS管TN2的源极、第三NMOS管TN3的衬底、以及第三NMOS管TN3的源极相连。
其中，第一PMOS管TP1的衬底与第二PMOS管TP2的衬底、第二PMOS管TP2的源极、第三PMOS管TP3的衬底、以及第三PMOS管TP3的源极相连。
其中，第一NMOS管TN1的栅极、第一PMOS管TP1的栅极分别与控制信号产生单元130相连，作为第一传输门TG1 114的控制端。
本实施例中，第一NMOS管TN1、第二NMOS管TN2、第三NMOS管TN3均采用深N阱工艺。
本实施例中，整流模块113包括：第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、以及第二PMOS管P2；其中，第一NMOS管N1的衬底、源极与第二NMOS管N2的衬底、源极相连至参考地处。第一PMOS管P1的衬底、源极与第二PMOS管P2的衬底、源极相连，并作为整流模块的输出端。第一NMOS管N1的漏极与第一PMOS管P1的漏极、第二PMOS管P2的栅极、以及第二NMOS管N2的栅极相连，并作为整流模块的输入端与压电装置111的一输出端相连。第二NMOS管N2的漏极与第二PMOS管P2的漏极、第一PMOS管P1的栅极、以及第一NMOS管N1的栅极相连，并作为整流模块113的输入端与压电装置111的另一输出端相连，这里并未图示。
图3为根据本公开一实施例所示的(a)压电装置和(b)热电装置的电路结构示意图。图4为根据本公开一实施例所示的用于同时采集振动能和热能的能量采集系统在一个振动周期内的工作过程示意图，其中，(a)为压电装置的电流源时序图；(b)为控制信号1的时序图；(c)为控制信号2的时序图；(d)为控制信号3的时序图；(e)为控制信号4的时序图。
参照图3中(a)所示，本实施例中，压电装置111包括并联的压电电容Cp、电流源Ip、以及压电电阻Rp。
参照图1所示，本实施例中，热能采集单元120包含：热电装置121、电容C 122、第一NMOS管NT1 123、第二NMOS管NT2 124、第三NMOS管NT3 125、以及第四NMOS管NT4 126。
其中，第一NMOS管NT1 123的衬底与第二NMOS管NT2 124的衬底、第三NMOS管NT3125的衬底、第四NMOS管NT4 126的衬底、以及热电装置121的负极相连至参考地处。
其中，第一NMOS管NT1 123的源极与第三NMOS管NT3 125的漏极、电容C 122的一端相连。
其中，第一NMOS管NT1 123的漏极与热电装置121的正极相连。
其中，第二NMOS管NT2 124的漏极与热电装置121的负极相连。
其中，第二NMOS管NT2 124的源极与第四NMOS管NT4 126的漏极、电容C 122的另一端相连。
其中，第三NMOS管NT3 125的源极、第四NMOS管NT4 126的源极分别与基于电感的同步开关振动能采集单元100中的电感L 112的两端相连。
参照图3中(b)所示，本实施例中，热电装置121包括：电压源Vs和串联电阻Rs。
第一NMOS管NT1 123、第二NMOS管NT2 124、第三NMOS管NT3 125、以及第四NMOS管NT4 126的控制端均与控制信号产生单元130相连，具体的，参见图1所示，第一NMOS管NT1123和第二NMOS管NT2 124由控制信号产生单元130产生的控制信号3所控制；第三NMOS管NT3 125和第四NMOS管NT4 126由控制信号产生单元130产生的控制信号4所控制，控制信号3和控制信号4的时序图参见图4中(d)、(e)所示。
图5为根据本公开一实施例所示的输出控制单元的电路结构示意图。
参照图5所示，本实施例中，输出控制单元140包含：比较器COM1141、传输门T1142、以及NMOS管N1 143。
其中，比较器COM1 141的正向输入端与传输门T1 142的输出端、NMOS管N1 143的衬底、以及NMOS管N1 143的源极相接，作为输出控制单元140的输出端。
其中，比较器COM1 141的负向输入端与传输门T1 142的输入端、NMOS管N1 143的漏极、以及NMOS管N1 143的栅极相连，作为输出控制单元140的输入端。
其中，比较器COM1 141的输出端与传输门T1142的控制端相接。
其中，输出控制单元140的输入端与基于电感的同步开关振动能采集单元110的输出端相接。
优选地，NMOS管N1 143采用二极管连接的方式，作用是在电路启动时导通，将负载电容CL的电压升高，参见图1所示，使电路的控制信号产生单元130开始工作，从而实现无需外接电源的自启动功能。在电路正常工作时，传输门T1 142导通，将NMOS管N1 143短路，避免出现阈值电压损失。
本实施例中，输出控制单元140通过比较器COM1 141与传输门T1142实现输出控制功能：当传输门T1 142的输入端电压大于输出端电压时，比较器COM1 141控制传输门T1142导通；当传输门T1 142的输入端电压小于输出端电压时，比较器COM1 141控制传输门T1142截止。
下面结合图4说明在一个振动周期内，本公开提供的用于同时采集振动能和热能的能量采集系统的工作过程。
参照图4中(a)～(e)所示，显示出了两个振动周期，每个振动周期分为2个区域，图中虚线之间的间隔为半个周期。
1)参见图4中(a)所示，在前半个周期内，由压电装置111将采集的振动能转化为交流电能，对应参见图4中(b)、(c)所示，控制信号1和2对应信号值为零，对应此过程中的第一传输门TG1 114、第二传输门TG2 115、第三传输门TG3 116、以及第四传输门TG4 117均截止，结合图1、图3中(a)所示，此时压电电容Cp处于充电状态；同时在前半个周期内，由热电装置121将采集的热能转化为直流电能，另对应参见图4中(d)、(e)所示，对应在压电电容Cp充电的过程中，控制信号3控制第一NMOS管NT1 123、第二NMOS管NT2 124闭合，控制信号4对应信号值为零，则第三NMOS管NT3 125、第四NMOS管NT4 126断开，此时电容C处于充电状态；如此实现了基于电感的同步开关振动能采集单元110对振动能、热能采集单元120对热能的同时采集。输出控制单元140对输出电压进行检测，若基于电感的同步开关振动能采集单元110的输出电压大于负载电容CL的电压，则控制传输门T1 142导通。
2)参见图4中(a)所示，在压电装置的输出电流为0时，对应参见图4中(d)、(e)所示，第一NMOS管NT1 123、第二NMOS管NT2 124断开，第三NMOS管NT3 125、第四NMOS管NT4126闭合；另对应参见图4中(b)、(c)所示，第一传输门TG1 114、第二传输门TG2 115、第三传输门TG3 116、第四传输门TG4 117均截止，此时电容C与电感L并联，产生并联谐振。该LC谐振的谐振时间为1/4个谐振周期，即谐振时间T1为：
式中，L为电感值，C为电容值。理论上，LC谐振后电容C中的能量全部转移到电感L中。
3)参见图4中(a)所示，当电容C与电感L并联谐振1/4个谐振周期后，对应参见图4中(d)、(e)所示，第一NMOS管NT1 123、第二NMOS管NT2 124闭合，第三NMOS管NT3 125、第四NMOS管NT4 126均断开；此时电容C处于充电状态，热能采集单元120再次开始对热能的采集。另对应参见图4中(b)、(c)所示，第一传输门TG1 114、第二传输门TG2 115导通，第三传输门TG3 116、第四传输门TG4 117均截止，此时电容Cp与电感L并联，产生LC并联谐振。该LC谐振的谐振时间为1/2个谐振周期，即谐振时间T2为：
式中，L为电感值，Cp为压电电容值。理论上，LC谐振后电感L中的能量全部转移到压电电容Cp中。谐振后压电电容Cp的电压极性反转，同时由于电感L在上一步骤有储能，压电电容Cp的电压有所增加。
4)重复步骤1)
5)重复步骤2)
6)参见图4中(a)所示，当电容C与电感L并联谐振1/4个谐振周期后，对应参见图4中(d)、(e)所示，第一NMOS管NT1 123、第二NMOS管NT2 124闭合，第三NMOS管NT3 125、第四NMOS管NT4 126均断开；此时电容C处于充电状态，热能采集单元120再次开始对热能的采集。另对应参见图4中(b)、(c)所示，第一传输门TG1 114、第二传输门TG2 115均截止，第三传输门TG3 116、第四传输门TG4 117导通，此时电容Cp与电感L并联，产生LC并联谐振。该LC谐振的谐振时间为1/2个谐振周期，即谐振时间T3为：
式中，L为电感值，Cp为压电电容值。理论上，LC谐振后电感L中的能量全部转移到压电电容Cp中。谐振后电压电容Cp的电压极性反转，同时由于电感L在上一步骤有储能，压电电容Cp的电压有所增加。
由工作过程的介绍可知，通过控制第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3、第四传输门TG4与第一NMOS管NT1、第二NMOS管NT2、第三NMOS管NT3、第四NMOS管NT4的通断，实现了同时采集振动能和热能。另外，采用并联电感L帮助压电装置中的压电电容Cp实现电压翻转与热电装置采集的电能整合，同时可以提高压电装置的振动阻尼，增强压电装置的能量采集能力。
综上所述，本公开提供了一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，在热能采集单元中设置热电装置与电容C并联，并在热电装置和电容C之间设置由控制信号控制通断的NMOS管；在基于电感的同步开关振动能采集单元中设置压电装置与电感L并联，并在压电装置与电感L之间设置由控制信号控制通断的传输门；以及将热能采集单元与基于电感的同步开关振动能采集单元并联；并在热能采集单元中，电容C与电感L之间的电路中设置由控制信号控制通断的NMOS管；通过控制信号产生单元控制同步开关振动能采集单元中的传输门的通断、以及热能采集单元中的NMOS管的通断，利用两次LC谐振，即可实现同时采集振动能和热能并整合输出；在压电装置中设有用于存储电能的压电电容Cp，并将压电装置与电感L并联，帮助压电装置中的压电电容Cp实现电压翻转与热电装置采集的电能实现整合，增大了压电装置的振动阻尼，从而可增强压电装置的能量采集能力；在输出控制单元中设有传输门、NMOS管，该NMOS管以二极管的形式并联在传输门两端，在电路启动时导通，将负载电容CL的电压升高，从而使控制信号产生单元开始工作，实现无需外接电源的自启动功能，且电路规模小、易于微型化、便于携带，可应用于可携带式无线充电设备中。
需要说明的是，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，包括：
基于电感的同步开关振动能采集单元，用于采集振动能，并将振动能转化为直流电能输出，包含：压电装置；电感L，与压电装置并联；以及传输门，设于压电装置与电感L之间；
热能采集单元，用于采集热能，并将热能转化为直流电能输出，与基于电感的同步开关振动能采集单元并联，包含：热电装置；电容C，与热电装置并联；以及NMOS管，设于热电装置与电容C之间、以及电容C与电感L之间；以及
控制信号产生单元，产生控制信号，分别控制基于电感的同步开关振动能采集单元中的传输门的通断、以及热能采集单元中的NMOS管的通断，利用两次LC谐振，实现同时采集振动能和热能并整合输出。
2.根据权利要求1所述的能量采集系统，还包括：
输出控制单元，其输入端与基于电感的同步开关振动能采集单元的输出端相连，该输出控制单元包含一NMOS管N1，该NMOS管N1采用二极管连接的方式，在该能量采集系统启动时导通，使控制信号产生单元开始工作，从而实现无需外接电源的自启动。
3.根据权利要求2所述的能量采集系统，其中，所述输出控制单元还包含：比较器COM1和传输门T1，该输出控制单元通过比较器COM1与传输门T1实现输出控制功能：当传输门T1的输入端电压大于输出端电压时，比较器COM1控制传输门T1导通；当传输门T1的输入端电压小于输出端电压时，比较器COM1控制传输门T1截止，使得该能量采集系统正常工作时，避免出现阈值电压损失。
4.根据权利要求1所述的能量采集系统，其中，所述传输门的结构包括：第一NMOS管TN1、第二NMOS管TN2、第三NMOS管TN3、第一PMOS管TP1、第二PMOS管TP2、以及第三PMOS管TP3；
其中，第一NOMS管TN1的漏极与第二NMOS管TN2的漏极、第三NMOS管TN3的栅极、第一PMOS管TP1的源极、第二PMOS管TP2的漏极、以及第三PMOS管TP3的栅极相连，并作为传输门的输入端；
第一NOMS管TN1的源极与第二NMOS管TN2的栅极、第三NMOS管TN3的漏极、第一PMOS管TP1的漏极、第二PMOS管TP2的栅极、以及第三PMOS管TP3的漏极相连，并作为传输门的输出端；
第一NMOS管TN1的衬底与第二NMOS管TN2的衬底、第二NMOS管TN2的源极、第三NMOS管TN3的衬底、以及第三NMOS管TN3的源极相连；
第一PMOS管TP1的衬底与第二PMOS管TP2的衬底、第二PMOS管TP2的源极、第三PMOS管TP3的衬底、以及第三PMOS管TP3的源极相连；
第一NMOS管TN1的栅极、第一PMOS管TP1的栅极分别与控制信号产生单元相连，作为传输门的控制端。
5.根据权利要求1所述的能量采集系统，其中，所述传输门包括：第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3、以及第四传输门TG4；
其中，电感L的一端与第一传输门TG1的输出端、第四传输门TG4的输出端相连；电感L的另一端与第二传输门TG2的输出端、第三传输门TG3的输出端相连；压电装置的一端与第一传输门TG1的输入端、第三传输门TG3的输入端相连；压电装置的另一端与第二传输门TG2的输入端、第四传输门TG4的输入端相连。
6.根据权利要求1所述的能量采集系统，其中，所述基于电感的同步开关振动能采集单元，还包含：
整流模块，其中，压电装置的两端分别连接至整流模块的两个输入端；整流模块的输出端作为基于电感的同步开关振动能采集单元的输出端。
7.根据权利要求6所述的能量采集系统，其中，所述整流模块，包括：第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、以及第二PMOS管P2；
其中，第一NMOS管N1的衬底、源极与第二NMOS管N2的衬底、源极相连至参考地处；第一PMOS管P1的衬底、源极与第二PMOS管P2的衬底、源极相连，并作为整流模块的输出端；
第一NMOS管N1的漏极与第一PMOS管P1的漏极、第二PMOS管P2的栅极、以及第二NMOS管N2的栅极相连，并作为整流模块的输入端与压电装置的一输出端相连；第二NMOS管N2的漏极与第二PMOS管P2的漏极、第一PMOS管P1的栅极、以及第一NMOS管N1的栅极相连，并作为整流模块的输入端与压电装置的另一输出端相连。
8.根据权利要求1所述的能量采集系统，其中，所述NMOS管包括：第一NMOS管NT1、第二NMOS管NT2、第三NMOS管NT3、以及第四NMOS管NT4；
其中，第一NMOS管NT1的衬底与第二NMOS管NT2的衬底、第三NMOS管NT3的衬底、第四NMOS管NT4的衬底、以及热电装置的负极相连至参考地处；
第一NMOS管NT1的源极与第三NMOS管NT3的漏极、电容C的一端相连；
第一NMOS管NT1的漏极与热电装置的正极相连；
第二NMOS管NT2的漏极与热电装置的负极相连；
第二NMOS管NT2的源极与第四NMOS管NT4的漏极、电容C的另一端相连；
第三NMOS管NT3的源极、第四NMOS管NT4的源极分别与基于电感的同步开关振动能采集单元中的电感L的两端相连。
9.根据权利要求1至8任一项所述的能量采集系统，其中：
所述压电装置包括：并联的压电电容Cp、电流源Ip、以及压电电阻RP；和/或
所述热电装置包括：串联的电压源Vs和串联电阻Rs。
10.根据权利要求9所述的能量采集系统，其中，所述热能采集单元利用电容C存储热电装置产生的能量，利用LC谐振，将电容C上的能量转移到电感L中；每隔半个周期，在压电装置产生电流为零的时刻，电感L与压电电容Cp谐振，将压电电容Cp上的电压极性反转。
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