CN108879919B - 为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路。目前没有将压电、电磁俘能器的交流电整合为一路存储并为无线传感器高效供电的能量管理电路。本发明的压电俘能器能量收集电路对压电俘能器的交流电整流和稳压后转化为直流电；电磁俘能器能量收集电路将电磁俘能器的交流电经整流、滤波、二极管、升压稳压转化为直流电；压电、电磁俘能器能量收集电路的输出端分别经一个二极管接入超级电容正极；当超级电容两端电压高于复位门限时，能量感知接口电路为无线传感器供电，低于无线传感器的工作电压时切断超级电容与无线传感器的连接。本发明将压电、电磁俘能器的交流电整合为一路存储，且满足大部分无线传感器供电需要。

Description

为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路
技术领域
本发明属于微能源装置领域，具体涉及一种可为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路，该电路可满足现有大部分无线传感器的供电需求。
背景技术
随着无线传感器、微电子加工技术的飞速发展及各类低能耗元器件的涌现，基于振动俘能器的无线传感器供电技术得到了学者们的深入研究。根据振动俘能器的能量转化机制不同，主要分为压电式、电磁式、静电式和磁致伸缩式四种，其中，压电式和电磁式应用最为广泛。
压电电磁复合俘能机制相比单一俘能机制可以有效提高输出功率和能量转换效率。在外部振动激励作用下，压电电磁复合俘能器输出交流电。因该交流电能量较小，并且压电俘能器输出电信号具有高电压、低电流的特点，而电磁俘能器输出电信号具有低电压、高电流的特点，并不能直接被无线传感器所使用。因此，需要在俘能器和无线传感器之间建立高效的能量管理电路，将交流电转换为直流电，并稳定输出满足负载工作需要的电压。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路，将压电端和电磁端的交流电首先转换为直流电，然后将两路电信号整合为一路，存储在超级电容中，为了保证超级电容积累足够多的能量来满足无线传感器的工作需要，设计了能量感知接口电路。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明由压电俘能器能量收集电路、电磁俘能器能量收集电路、充电电路和能量感知接口电路组成。
所述的压电俘能器能量收集电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1和芯片U1。芯片U1的引脚Vin和CAP分别接电容C1两端，引脚Vin和地之间串联接入电容C2，引脚Vin2和地之间串联接入电容C3，引脚SW接电感L1一端，引脚VOUT接电感L1另一端及电容C4的一端；电容C4另一端接地；芯片U1的引脚VOUT输出电压VYD，引脚GND接地；芯片U1的型号为LTC3588-1时，引脚D1接入引脚Vin2，引脚D0接地；芯片U1的型号为LTC3588-2时，引脚D0和D1均接入引脚Vin2。
所述的电磁俘能器能量收集电路包括四倍压整流模块、RC-π型滤波模块、肖特基二极管D6和DC-DC升压稳压模块。
所述的四倍压整流模块由肖特基二极管D2、D3、D4、D5和电容C5、C6、C7、C8组成；电容C6的一端接肖特基二极管D2的负极及肖特基二极管D3的正极；肖特基二极管D3的负极接肖特基二极管D4的正极和电容C7的一端；电容C5的一端与电容C6未接肖特基二极管D3的那端连接；电容C5的另一端接肖特基二极管D4的负极和肖特基二极管D5的正极；肖特基二极管D5的负极接电容C8的一端；电容C7和C8的另一端均接肖特基二极管D2的正极并接地。
所述的DC-DC升压稳压模块由电容C11、C12、电感L2、肖特基二极管D7和DC-DC升压转换芯片U2组成；DC-DC升压转换芯片U2的引脚Vin和地之间接入电容C11，引脚Vin和SW分别接电感L2的两端，引脚FB接电容C12的一端及肖特基二极管D7的负极，引脚SEL接地或接引脚Vin，引脚SHOD和llim均悬空，引脚GND和PGND均接地；DC-DC升压转换芯片U2的引脚SW接二极管D7的正极；电容C12的另一端接地；DC-DC升压转换芯片U2的引脚FB输出电压VDC。
所述的RC-π型滤波模块由电容C9、C10和电阻R1组成；电阻R1一端接电容C9一端及肖特基二极管D5的负极，电阻R1另一端接电容C10一端及肖特基二极管D6的负极；电容C9另一端、电容C10另一端及肖特基二极管D6的正极均接地。
所述的充电电路包括二极管D1、二极管D8和超级电容C13；压电俘能器能量收集电路的输出电压VYD通过二极管D1接超级电容C13的正极；电磁俘能器能量收集电路的输出电压VDC通过二极管D8接超级电容C13的正极；超级电容C13的负极接地。
所述的能量感知接口电路包括电压检测芯片U3和NMOS管。电压电测芯片U3的引脚
Figure BDA0001726488280000021
接电阻R2一端，引脚
Figure BDA0001726488280000022
接电阻R3一端，引脚VCC接电阻R2另一端及R3另一端，引脚MR接NMOS管的基极，引脚GND接地；电压电测芯片U3的引脚S2、S1及S0接引脚GND或引脚VCC；NMOS管的栅极接地。
优选地，所述DC-DC升压转换芯片U2的型号为LT1300。
优选地，所述电压监测芯片U3的型号为LTC2935-1。
优选地，电容C1＝1μF，C2＝10μF，C3＝4.7μF，C4＝47μF，C5＝6.8μF，C6＝6.8μF，C7＝6.8μF，C8＝6.8μF，C9＝47μF，C10＝47μF，C11＝100μF，C12＝100μF；超级电容C13＝220μF，额定电压为5V；电感L1＝10μH，L2＝10μH；电阻R2＝10KΩ，R3＝10KΩ；D6为10V稳压管。
本发明具有的有益效果：
本发明将压电、电磁俘能器的交流电整合为一路存储，提高了能量的存储和利用效率，可有效地为无线传感器供电，结构上较为简单，易于加工制造。本发明改变压电俘能器能量收集电路和电磁俘能器能量收集电路输出电压，以及能量感知接口电路输入电压门限，可满足大部分无线传感器供电需要。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明中电磁俘能器能量收集电路的系统框图；
图3为本发明中能量感知接口电路为无线传感器供电的系统框图。
具体实施方式
以下结合附图和额定电压为2.5V的无线传感器为实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所示，为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路，由压电俘能器能量收集电路、电磁俘能器能量收集电路、充电电路和能量感知接口电路组成。
压电俘能器能量收集电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1和具备全桥整流滤波、DC-DC降压转换器等功能的芯片U1。压电俘能器的输出端接入芯片U1的引脚PZ1和PZ2；芯片U1的引脚Vin和CAP分别接电容C1两端，引脚Vin和地之间串联接入电容C2，引脚Vin2和地之间串联接入电容C3，引脚SW接电感L1一端，引脚VOUT接电感L1另一端及电容C4的一端；电容C4另一端接地；引脚D1和D0为输出电压选择位，引脚D1接入引脚Vin2，引脚D0接地；引脚VOUT输出电压VYD，本实施例中VYD＝3.3V；引脚GND接地。
结合压电俘能器输出端产生的交流电具有高电压、低电流的特点，本发明选择型号为LTC3588-1的电源管理芯片，该芯片在2.7～20V的输入范围下工作，可以与压电俘能器输出端直接相连，将产生的交流电进行整流和稳压，并由一个高效率、低功耗的同步降压稳压器维持稳定的输出电压。
电磁俘能器能量收集电路包括四倍压整流模块、RC-π型滤波模块、肖特基二极管D6和DC-DC升压稳压模块。
四倍压整流模块由肖特基二极管D2、D3、D4、D5和电容C5、C6、C7、C8组成；电磁俘能器的输出端接肖特基二极管D2的正极和电容C6的一端，电容C6的另一端接肖特基二极管D2的负极及肖特基二极管D3的正极；肖特基二极管D3的负极接肖特基二极管D4的正极和电容C7的一端；电容C5的一端与电容C6未接肖特基二极管D3的那端连接；电容C5的另一端接肖特基二极管D4的负极和肖特基二极管D5的正极；肖特基二极管D5的负极接电容C8的一端；电容C7和C8的另一端均接肖特基二极管D2的正极并接地；四倍压整流模块利用肖特基二极管具有开关频率高、正向压降低、正向导通压降仅0.4V左右的优点，很适合低压、高流电路中当做整流二极管使用。
DC-DC升压稳压模块由电容C11、C12、电感L2、肖特基二极管D7和DC-DC升压转换芯片U2组成；DC-DC升压转换芯片U2的引脚Vin和地之间接入电容C11，引脚Vin和SW分别接电感L2的两端，引脚FB接电容C12的一端及肖特基二极管D7的负极，引脚SEL为输出电压选择位，引脚SEL接地，引脚SHOD和llim均悬空，引脚GND和PGND均接地；DC-DC升压转换芯片U2的引脚SW接二极管D7的正极；电容C12的另一端接地；DC-DC升压转换芯片U2的引脚FB输出电压VDC，本实施例中VDC＝3.3V。
RC-π型滤波模块由电容C9、C10和电阻R1组成；电阻R1一端接电容C9一端及肖特基二极管D5的负极，电阻R1另一端接电容C10一端及肖特基二极管D6的负极；电容C9另一端、电容C10另一端及肖特基二极管D6的正极均接地。
结合电磁俘能器输出端产生的交流电具有低电压、高电流的特点，本发明通过电磁俘能器能量收集电路将交流信号转换为稳定的直流信号，并提高电压以达到DC-DC升压转换芯片U2的工作电压，通过芯片U2实现稳定的输出电压。DC-DC升压转换芯片U2为LT1300，是一款微功率、高效率升压型DC-DC转换器，在1.8～10V的输入状态下工作，可以稳定输出3.3V/5V电压，若将引脚SEL接地，DC-DC升压转换芯片U2的引脚FB输出电压VDC＝3.3V，若将引脚SEL接VCC，DC-DC升压转换芯片U2的引脚FB输出电压VDC＝5V。
充电电路包括二极管D1、二极管D8和超级电容C13；压电俘能器能量收集电路的输出电压VYD通过二极管D1接超级电容C13的正极；电磁俘能器能量收集电路的输出电压VDC通过二极管D8接超级电容C13的正极；超级电容C13的负极接地；接入二极管D1和二极管D8的目的是防止电流回流，保证能量持续不断的存储到超级电容C13中。
能量感知接口电路包括电压检测芯片U3和NMOS管。电压电测芯片U3的引脚
Figure BDA0001726488280000041
接电阻R2一端，引脚
Figure BDA0001726488280000042
接电阻R3一端，引脚VCC接电阻R2另一端及R3另一端，引脚MR接NMOS管的基极，引脚GND接地；引脚S2、S1、S0为输入电压门限选择位，将其连接至GND或引脚VCC以获得所需要的复位门限VON。鉴于为2.5V传感器供电，将引脚S2接入引脚VCC，引脚S1和S0接地，电压监测芯片U3的复位门限VON设置为2.55V；NMOS管的栅极接地，无线传感器的电源输入端接NMOS管的漏极和电压电测芯片U3的引脚VCC。
能量感知接口电路由电压监测芯片U3来监测超级电容C13的两端电压，并控制NMOS管的通断，管理从超级电容C13到无线传感器的能量流入，确保超级电容能够积累足够多的能量为无线传感器供电。
电压监测芯片U3的型号为LTC2935-1，有8种可通过引脚S2、S1、S0来选择的复位门限，范围从2.25至3.3V，其工作过程：一开始，超级电容被充电且无线传感器处于非工作状态，当超级电容电压值增加到电压监测芯片U3的复位门限VON时，电压监测器U3导通NMOS管，超级电容与无线传感器接通，使无线传感器开始工作；当超级电容两端电压低于无线传感器的最低工作电压(实际传感器均存在最低工作电压)时，电压监测器U3断开NMOS管并转入休眠状态，无线传感器与超级电容断开，直至超级电容两端电压再次达到电压监测器的复位门限时再次启动工作，循环重复。
通过本实例公开了一种为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路，实现了交流电转换为稳定的直流输出，并将两路电信号整合为一路储存在超级电容中，通过能量感知接口电路，高效地为无线传感器供电。
优选地，电容C1＝1μF，C2＝10μF，C3＝4.7μF，C4＝47μF，C5＝6.8μF，C6＝6.8μF，C7＝6.8μF，C8＝6.8μF，C9＝47μF，C10＝47μF，C11＝100μF，C12＝100μF；超级电容C13＝220μF，额定电压为5V；电感L1＝10μH，L2＝10μH；电阻R2＝10KΩ，R3＝10KΩ；D6为10V稳压管。
本实例公开了一种为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路，其工作过程是：压电俘能器能量收集电路以LTC3588-1为基础实现交流电转化为稳定的直流电，输出电压VYD＝3.3V，电磁俘能器能量收集电路利用肖特基二极管的特性来设计四倍压整流模块，通过RC-π型滤波模块和肖特基二极管D6将交流电转化为稳定的直流电，再经DC-DC升压稳压模块，输出电压VDC＝3.3V，如图2所示。压电俘能器能量收集电路的输出端经二极管D1、电磁俘能器能量收集电路的输出端经二极管D8接入超级电容正极，将能量存储在超级电容中，引入二极管D1和二极管D8以防止电流回流，为了确保超级电容高效地为无线传感器供电而设计了能量感知接口电路，当超级电容两端电压高于复位门限VON＝2.55V时，开始为无线传感器供电，当超级电容两端电压低于无线传感器的工作电压时，能量感知接口电路会切断超级电容与无线传感器的连接，从而实现了能量的充分利用，如图3所示。
本发明中若将LTC3588-1替换成LTC3588-2，引脚D0和D1均连接至Vin2，则引脚VOUT输出电压VYD＝5.0V；将LT1300引脚SEL接Vin，则引脚FB输出电压VDC＝5V；改变LTC2935-1的引脚S0、S1、S2与GND或VCC的连接方式，可设置复位门限VON分别为3.0V、3.15V、3.3V。具体引脚连接方式将根据无线传感器的工作电压范围、工作周期、功耗等因素综合考虑决定。常用无线传感器工作电压为一个电压区间，通常最小值为1.8V～2.7V中的一个值，最大值为3.3V～3.8V中的一个值。因此，该能量管理电路可满足大部分无线传感器供电需求。本发明解决了压电、电磁复合俘能器两路交流电转换为直流电，合并存储在超级电容中，并通过能量感知接口电路实现为无线传感器高效供电的问题。

Claims (2)

1.为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路，由压电俘能器能量收集电路、电磁俘能器能量收集电路、充电电路和能量感知接口电路组成，其特征在于：所述的压电俘能器能量收集电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1和芯片U1；芯片U1的引脚Vin和CAP分别接电容C1两端，引脚Vin和地之间串联接入电容C2，引脚Vin2和地之间串联接入电容C3，引脚SW接电感L1一端，引脚VOUT接电感L1另一端及电容C4的一端；电容C4另一端接地；芯片U1的引脚VOUT输出电压VYD，引脚GND接地；芯片U1的型号为LTC3588-1时，引脚D1接入引脚Vin2，引脚D0接地，VYD＝3.3V；芯片U1的型号为LTC3588-2时，引脚D0和D1均接入引脚Vin2，VYD＝5V；
所述的电磁俘能器能量收集电路包括四倍压整流模块、RC-π型滤波模块、肖特基二极管D6和DC-DC升压稳压模块；
所述的四倍压整流模块由肖特基二极管D2、D3、D4、D5和电容C5、C6、C7、C8组成；电容C6的一端接肖特基二极管D2的负极及肖特基二极管D3的正极；肖特基二极管D3的负极接肖特基二极管D4的正极和电容C7的一端；电容C5的一端与电容C6未接肖特基二极管D3的那端连接；电容C5的另一端接肖特基二极管D4的负极和肖特基二极管D5的正极；肖特基二极管D5的负极接电容C8的一端；电容C7和C8的另一端均接肖特基二极管D2的正极并接地；
所述的DC-DC升压稳压模块由电容C11、C12、电感L2、肖特基二极管D7和DC-DC升压转换芯片U2组成；所述DC-DC升压转换芯片U2的型号为LT1300；DC-DC升压转换芯片U2的引脚Vin和地之间接入电容C11，引脚Vin和SW分别接电感L2的两端，引脚FB接电容C12的一端及肖特基二极管D7的负极，芯片U1的型号为LTC3588-1时，引脚SEL接地，引脚FB输出电压VDC＝3.3V，芯片U1的型号为LTC3588-2时，引脚SEL接引脚Vin，引脚FB输出电压VDC＝5V，引脚SHOD和llim均悬空，引脚GND和PGND均接地；DC-DC升压转换芯片U2的引脚SW接二极管D7的正极；电容C12的另一端接地；DC-DC升压转换芯片U2的引脚FB输出电压VDC；
所述的RC-π型滤波模块由电容C9、C10和电阻R1组成；电阻R1一端接电容C9一端及肖特基二极管D5的负极，电阻R1另一端接电容C10一端及肖特基二极管D6的负极；电容C9另一端、电容C10另一端及肖特基二极管D6的正极均接地；
所述的充电电路包括二极管D1、二极管D8和超级电容C13；压电俘能器能量收集电路的输出电压VYD通过二极管D1接超级电容C13的正极；电磁俘能器能量收集电路的输出电压VDC通过二极管D8接超级电容C13的正极；超级电容C13的负极接地；
所述的能量感知接口电路包括电压监测芯片U3和NMOS管；所述电压监测芯片U3的型号为LTC2935-1；引脚S2、S1、S0为输入电压门限选择位，将其连接至GND或引脚VCC以获得所需要的复位门限VON；复位门限VON为3.0V、3.15V或3.3V；电压监测 芯片U3的引脚
Figure FDA0002379053040000021
接电阻R2一端，引脚
Figure FDA0002379053040000022
接电阻R3一端，引脚VCC接电阻R2另一端及R3另一端，引脚MR接NMOS管的基极，引脚GND接地；电压监测 芯片U3的引脚S2、S1及S0接引脚GND或引脚VCC；NMOS管的栅极接地。
2.根据权利要求1所述的为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路，其特征在于：电容C1＝1μF，C2＝10μF，C3＝4.7μF，C4＝47μF，C5＝6.8μF，C6＝6.8μF，C7＝6.8μF，C8＝6.8μF，C9＝47μF，C10＝47μF，C11＝100μF，C12＝100μF；超级电容C13＝220μF，额定电压为5V；电感L1＝10μH，L2＝10μH；电阻R2＝10KΩ，R3＝10KΩ；D6为10V稳压管。
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