CN109639179B - 双调谐高效压电能量采集管理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双调谐高效压电能量采集管理电路，包括一主电路和一控制电路，所述主电路包括依次连接的一压电换能器、一上变频开关电路、一变压器、一整流电路、一匹配电容、一DC‑DC电路和一储能电容；所述控制电路包括一匹配开关控制电路和一开关控制电路；所述匹配开关控制电路连接所述上变频开关电路；所述开关控制电路连接所述DC‑DC电路。本发明的一种双调谐高效压电能量采集管理电路，通过控制开关的占空比，实现两级调谐匹配，换能器能够获得最大的功率输出和最高的效率，并将能量储存在大的电容或者可充电电池中，可为较大功率的无线节点供能。
Description
技术领域
本发明涉及能量采集管理电路领域，尤其涉及一种双调谐高效压电能量采集管理电路。
背景技术
随着低功耗传感器、微电子、纳米技术的迅速发展，低功耗微型无线传感器网络已经被广泛应用于各种领域。无线传感器网络节点需要电池供电，但是在许多实际应用过程中，由于网络节点分布广泛，部分节点完全植入被测物体或者人体中，并且有些在危险(如高压和核辐射)环境应用，电池更换非常困难。而电池能量始终有限，为此，采用能量采集器将环境中的能量转换为电能，为电子装置供能。但是当采集自然环境能源时，能量源(如振动信号)是低频、随机变化的，压电换能器输出能量非常微弱，采用通常能量采集管理电路很难收集这样微弱的能量。目前尚缺乏一种与换能器匹配的低功耗能量采集管理电路来实现对换能器输出能量的高效转换与存储。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种双调谐高效压电能量采集管理电路，通过控制开关的占空比，实现两级调谐匹配，换能器能够获得最大的功率输出和最高的效率，并将能量储存在大的电容或者可充电电池中，可为较大功率的无线节点供能。
为了实现上述目的，本发明提供一种双调谐高效压电能量采集管理电路，包括一主电路和一控制电路，所述主电路包括依次连接的一压电换能器、一上变频开关电路、一变压器、一整流电路、一匹配电容、一DC-DC电路和一储能电容；所述控制电路包括一匹配开关控制电路和一开关控制电路；所述匹配开关控制电路连接所述上变频开关电路；所述开关控制电路连接所述DC-DC电路。
优选地，所述上变频开关电路包括：
一第一电压输出端，所述第一电压输出端连接所述压电换能器的输出端；
一第一二极管，所述第一二极管的负极连接所述压电换能器的输出端；
一第一模拟开关，所述第一模拟开关的一公用端和一电压输入端连接所述压电换能器的输出端；所述第一模拟开关的一ON端和所述第一模拟开关的逻辑地连接所述第一二极管的正极；
一第一控制信号输入端，所述第一控制信号输入端连接所述第一模拟开关的一IN端；
一第二二极管，所述第二二极管的正极连接所述第一二极管的正极，所述第二二极管的负极连接所述变压器的一原边的输入端，所述变压器的原边的一输出端连接所述压电换能器的输入端；
一第二模拟开关，所述第二模拟开关的一公用端和一电压输入端连接所述变压器的原边的输入端；所述第二模拟开关的一ON端和所述第二模拟开关的逻辑地连接所述第一二极管的正极；
一第一接地端，所述第一接地端连接所述第一模拟开关的逻辑地和所述第二模拟开关的逻辑地；
一第二控制信号输入端，所述第二控制信号输入端连接所述第二模拟开关的IN端；和
一第二电压输出端，所述第二电压输出端连接所述第二二极管的负极。
优选地，所述上变频开关电路包括：
一第一电压输出端，所述第一电压输出端连接所述压电换能器的输出端；
一第一二极管，所述第一二极管的负极连接所述压电换能器的输出端；
一第一MOS管，所述第一MOS管的漏极连接所述压电换能器的输出端，所述第一MOS管的源极连接所述第一二极管的正极；
一第一控制信号输入端，所述第一控制信号输入端连接所述第一MOS管的栅极；
一第二二极管，所述第二二极管的正极连接所述第一二极管的正极；
一第二MOS管，所述第二MOS管的源极连接所述第一MOS管的源极；所述第二MOS管的漏极连接所述变压器的一原边的输入端，所述变压器的原边的一输出端连接所述压电换能器的输入端；
一第一接地端，所述第一接地端连接所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的源极；
一第二控制信号输入端，所述第二控制信号输入端连接所述第二MOS管的栅极；和
一第二电压输出端，所述第二电压输出端连接所述第二二极管的负极。
优选地，所述匹配开关控制电路包括：
一峰值点电路，所述峰值点电路连接一第一信号输入端和所述第一电压输出端；
一第一脉冲产生电路，所述第一脉冲产生电路连接所述峰值点电路、所述第一电压输出端和所述第一控制信号输入端；
一谷值点电路，所述谷值点电路连接一第二信号输入端和所述第二电压输出端；和
一第二脉冲产生电路，所述第二脉冲产生电路连接所述谷值点电路、所述第二电压输出端和所述第二控制信号输入端。
优选地，所述峰值点电路包括：
一第一比较器，所述第一比较器的反相输入端连接所述第一信号输入端，所述第一比较器的电源端连接所述第一电压输出端；所述第一比较器的电源地连接所述第一接地端；
一第三二极管，所述第三二极管的正极连接所述第一信号输入端，所述第三二极管的负极连接所述第一比较器的同相输入端；和
一第一电容，所述第一电容连接于所述第三二极管的负极和所述第一接地端之间；
所述第一脉冲产生电路包括：
一第二比较器，所述第二比较器的电压输入端连接所述第一电压输出端；所述第二比较器的输出端连接所述第一控制信号输入端；所述第二比较器的电源地连接所述第一接地端；
一第二电容，所述第二电容连接于所述第一比较器的输出端与所述第二比较器的同相输入端之间；
一第一电阻，所述第一电阻连接于所述第一电压输出端和所述第二比较器的反相输入端之间；
一第二电阻，所述第二电阻连接于所述第二比较器的反相输入端与所述第一接地端之间；和
一第三电阻，所述第三电阻连接于所述第二比较器的同相输入端与所述第一接地端之间；
所述谷值点电路包括：
一第三比较器，所述第三比较器的反相输入端连接所述第二信号输入端；所述第三比较器的电压输入端连接所述第二电压输出端；所述第三比较器的电源地连接所述第一接地端；
一第四二极管，所述第四二极管的负极连接所述第二信号输入端，所述第四二极管的正极连接所述第三比较器的同相输入端；和
一第三电容，所述第三电容连接于所述第二电压输出端与所述第四二极管的正极之间；
所述第二脉冲产生电路包括：
一第四比较器，所述第四比较器的电压输入端连接所述第二电压输出端；所述第四比较器的电源地连接所述第一接地端；所述第四比较器的输出端连接所述第二控制信号输入端；
一第四电容，所述第四电容连接于所述第三比较器的输出端与所述第四比较器的反相输入端之间；
一第四电阻，所述第四电阻连接于所述第二电压输出端与所述第四比较器的同相输入端之间；
一第五电阻，所述第五电阻连接于所述第四比较器的同相输入端与所述第一接地端之间；和
一第六电阻，所述第六电阻连接于所述第四比较器的反相输入端与所述第一接地端之间。
优选地，所述整流电路包括：
一第五二极管，所述第五二极管的负极连接所述变压器的副边的输入端；
一第六二极管，所述第六二极管的正极连接所述变压器的副边的输入端和所述第五二极管的负极；
一第七二极管，所述第七二极管的正极连接所述第五二极管的正极、所述匹配电容的第一端和一第二接地端；和
一第八二极管，所述第八二极管的正极连接所述第七二极管的负极和所述变压器的副边的输出端；所述第八二极管的负极连接所述第六二极管的负极和所述匹配电容的第二端。
优选地，所述DC-DC电路包括：
一控制开关，所述控制开关第一端连接所述匹配电容的第二端；
一第三控制信号输入端，所述第三控制信号输入端连接所述控制开关；
一电感，所述电感连接于所述控制开关的第二端和所述第二接地端之间；和
一第九二极管，所述第九二极管的负极连接所述控制开关的第二端；所述储能电容连接于所述第九二极管的正极和所述第二接地端之间。
优选地，所述开关控制电路包括：一电平检测电路、一低功耗RC振荡电路和一脉宽调整电路，所述电平检测电路连接所述匹配电容的第二端和所述脉宽调整电路，所述低功耗RC振荡电路连接所述脉宽调整电路，所述脉宽调整电路连接所述第三控制信号输入端；
所述电平检测电路包括：
一第五比较器，所述第五比较器的反相输入端连接一基准电压端；所述第五比较器的电源输入端连接一电源端；所述第五比较器的电源地连接所述第二接地端；
一第七电阻，所述第七电阻连接于所述匹配电容的第二端和所述第五比较器的同相输入端之间；和
一第八电阻，所述第八电阻连接于所述第五比较器的同相输入端和所述第二接地端之间；
所述低功耗RC振荡电路包括：
一第六比较器，所述第六比较器的电源输入端连接所述电源端；所述第六比较器的电源地连接所述第二接地端；
一第九电阻，所述第九电阻连接于所述电源端与所述第六比较器的同相输入端之间；
一第十电阻，所述第十电阻连接于所述第六比较器的同相输入端与所述第二接地端之间；
一第十一电阻，所述第十一电阻连接于所述第六比较器的输出端与反相输入端之间；和
一第五电容，所述第五电容连接于所述第六比较器的反相输入端与所述第二接地端之间；
所述脉宽调整电路包括：
一第七比较器，所述第七比较器的反相输入端连接所述第六比较器的反相输入端；所述第七比较器的电源输入端连接所述电源端；所述第七比较器的电源地连接所述第二接地端；所述第七比较器的输出端连接所述第三控制信号输入端；
一第十二电阻，所述第十二电阻连接于所述第五比较器的输出端和所述第七比较器的同相输入端之间；和
一第十三电阻，所述第十三电阻连接于所述第七比较器的同相输入端与所述第二接地端之间。
优选地，所述开关控制电路包括：依次连接的一电平检测电路和一低功耗可编程时钟电路，所述电平检测电路连接所述匹配电容的第二端；所述低功耗可编程时钟电路连接所述第三控制信号输入端。
优选地，所述上变频开关电路、所述整流电路、所述DC-DC电路、所述匹配开关控制电路和所述开关控制电路集成于一专用集成电路芯片；所述压电换能器、所述变压器、所述匹配电容、所述储能电容和所述电感连接于所述专用集成电路芯片。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
通过控制上变频开关电路的占空比，实现两级调谐匹配，压电换能器能够获得最大的功率输出和最高的效率，并将能量储存在大的储能电容Cst或者可充电电池中，为较大功率的无线节点供能；实现对压电换能器输出能量的高效转换与存储。
其中，压电换能器将环境能量转换为电能。上变频开关电路将低频随机电信号转化为固定的高频信号，从而减小匹配变压器的电感值和体积，使得带有压电换能器在低频随机输出信号时也能获得匹配。变压器初级和次级回路分别谐振匹配，两端谐振频率相同。整流电路的第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管和匹配电容构成第二级谐振匹配电路，能够与上变频开关电路构成双调谐匹配电路，得到更大的功率输出和更高效率。DC-DC电路是将匹配电容上的能量高效转移到储能电容上。在峰谷值点处，压电换能器输出功率最大。匹配开关控制电路检测压电换能器输出信号的峰谷值点，在此时开启上变频开关电路，使得压电换能器更多电能输出。匹配开关控制电路调整控制信号占空比，能够改变上变频电路的上变频频率。DC-DC电路的开关控制电路检测匹配电容的电平，在该电平超过一阈值时，产生一周期时钟信号，将匹配电容上能量通过电感和第九二极管转化到非常大的储能电容上，为后续的较大功耗的电子装置供能。
附图说明
图1为本发明实施例一的双调谐高效压电能量采集管理电路的总体结构示意图；
图2为本发明实施例一的上变频开关电路、压电换能器和变压器的电路连接图；
图3为本发明实施例一的匹配开关控制电路的逻辑框图；
图4为本发明实施例一的匹配开关控制电路的电路图；
图5为本发明实施例一的开关控制电路的逻辑框图；
图6为本发明实施例一的开关控制电路的电路图；
图7为本发明实施例二的上变频开关电路、压电换能器和变压器的电路连接图；
图8为本发明实施例三的开关控制电路的逻辑框图；
图9为本发明实施例四的专用集成电路芯片的连接结构示意图。
具体实施方式
下面根据附图1～图9，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施例一的一种双调谐高效压电能量采集管理电路，包括一主电路1和一控制电路2，主电路1包括依次连接的一压电换能器11、一上变频开关电路12、一变压器13、一整流电路14、一匹配电容Cint、一DC-DC电路16和一储能电容Cst；控制电路2包括一匹配开关控制电路21和一开关控制电路22；匹配开关控制电路21连接上变频开关电路12；开关控制电路22连接DC-DC电路16。
压电换能器11可以等效为电流源111和电容Cp并联，它收集环境的能量，如振动能量，将其转化为电能。
通常在压电换能器11上得到的是低频随机信号，为了获得最大输出功率，其负载应当为匹配负载，为此，需要将频率向上调整，上变频开关电路12可以实现上变频功能；变压器13的初级和压电换能器11、上变频开关电路12构成第一级调谐匹配回路；变压器13的次级和整流电路14、匹配电容Cint构成第二级调谐匹配回路；两级谐振频率相同，损耗最小、效率最高。经过双调谐匹配电路，匹配电容Cint上能够从压电换能器11获得最大输出功率；DC-DC电路16是将匹配电容Cint的能量高效转移到储能电容Cst上，为后续电子设备供能。
上变频开关电路12由匹配开关控制电路21控制其导通和关断从而实现频率变换；匹配开关控制电路21是根据压电换能器11输出的峰值和谷值，导通上变频开关电路12，关断时刻由压电换能器11最大功率点决定，这时在匹配电容Cint获取电压最大。
DC-DC电路16由开关控制电路22控制控制开关K2导通和关断实现直流到直流变换；匹配电容Cint上的能量通过电感L1和第九二极管D7转化到大的储能电容Cst上，能够为更大功率的电子器件供能；控制开关K2第一次开启时刻由匹配电容Cint上电压决定，关断时刻由匹配电容Cint、储能电容Cst和电感L1参数决定；控制开关K2开关周期性地开启和关断，直到匹配电容Cint上电压下降到开启阈值以下，开关控制电路22保持输出为低。
匹配开关控制电路21在上变频开关电路12两端采集压电换能器11输出电压的峰值和谷值点，通过在峰值和谷值点产生开启信号，使得上变频开关电路12导通，这时双调谐匹配电路能够从压电换能器11获得最大功率；匹配开关控制电路21根据上变频的频率确定控制信号的关断时间，也就是说，控制信号占空比由需要上变频的频率决定，改变控制信号占空比能够调整谐振匹配电路的谐振频率；匹配开关控制电路21的电源为高效自供电电源，完全由压电换能器11提供必要的能量。
开关控制电路22检测匹配电容Cint上的电压，当该电压超过某一阈值，开关控制电路22周期性地输出控制信号，使得控制开关K2间歇开启和关断；在控制开关K2开启时，匹配电容Cint上的能量转化到电感L1上；在开关控制电路22关断时，电感L1上通过第九二极管D7，单向对于储能电容7充电，高效完成直流到直流的电能传递；开关控制电路22电源也是自供电电源，完全通过匹配电容5上的能量供给。
本实施例中，匹配开关控制电路21和开关控制电路22都采用自供电电路，在输入电压较低时，匹配开关控制电路21和开关控制电路22都不工作，从而大幅度减低控制电路2功耗，也不会影响控制电路2的逻辑，提高了能量采集电路的效率。
本发明实施例一的一种双调谐高效压电能量采集管理电路，通过控制上变频开关电路12的占空比，实现两级调谐匹配，压电换能器11能够获得最大的功率输出和最高的效率，并将能量储存在大的储能电容Cst或者可充电电池中，为较大功率的无线节点供能。
请参阅图2，上变频开关电路12包括：一第一电压输出端Vcc1、一第一二极管D1、一第一模拟开关U1、一第一控制信号输入端IN1、一第二二极管D2、一第二模拟开关U2、一第一接地端GND1、一第二控制信号输入端IN2和一第二电压输出端Vcc2。第一电压输出端Vcc1连接压电换能器11的输出端；第一二极管D1的负极连接压电换能器11的输出端；第一模拟开关U1的一公用端和一电压输入端连接压电换能器11的输出端；第一模拟开关U1的一ON端和第一模拟开关U1的逻辑地连接第一二极管D1的正极；第一控制信号输入端IN1连接第一模拟开关U1的一IN端；第二二极管D2的正极连接第一二极管D1的正极，第二二极管D2的负极连接变压器13的一原边的输入端，变压器13的原边的一输出端连接压电换能器11的输入端；第二模拟开关U2的一公用端和一电压输入端连接变压器13的原边的输入端；第二模拟开关U2的一ON端和第二模拟开关U2的逻辑地连接第一二极管D1的正极；第一接地端GND1连接第一模拟开关U1的逻辑地和第二模拟开关U2的逻辑地；第二控制信号输入端IN2连接第二模拟开关U2的IN端；第二电压输出端Vcc2连接第二二极管D2的负极。
当Tran+为高、TP+为低、第一模拟开关U1的第一控制信号输入端IN1的控制信号为高、第二模拟开关U2的第二控制信号输入端IN2的控制信号为低时，第一模拟开关U1和第二二极管D2导通；当Tran+为低、TP+为高、第一模拟开关U1的第一控制信号输入端IN1的控制信号为低、第二模拟开关U2的第二控制信号输入端IN2的控制信号为高时，第二模拟开关U2和第一二极管D1导通；在开关14两端无论哪端为高，只要控制信号为高，开关双向导通，确保第一级回路能够谐振工作。
请参见图3，匹配开关控制电路21包括：一峰值点电路211、一第一脉冲产生电路212、一谷值点电路213和一第二脉冲产生电路214。峰值点电路211连接一第一信号输入端Tran+和第一电压输出端Vcc1；第一脉冲产生电路212连接峰值点电路211、第一电压输出端Vcc1和第一控制信号输入端IN1；谷值点电路213连接一第二信号输入端Tp+和第二电压输出端Vcc2；第二脉冲产生电路214连接谷值点电路213、第二电压输出端Vcc2和第二控制信号输入端IN2。
请参见图1、图2和图4，其中，峰值点电路211包括：一第一比较器U4、一第三二极管D10和一第一电容C1；第一比较器U4的反相输入端连接第一信号输入端Tran+，第一比较器U4的电源端连接第一电压输出端Vcc1；第一比较器U4的电源地连接第一接地端GND1；第三二极管D10的正极连接第一信号输入端Tran+，第三二极管D10的负极连接第一比较器U4的同相输入端；第一电容C1连接于第三二极管D10的负极和第一接地端GND1之间。
第一脉冲产生电路212包括：一第二比较器U5、一第二电容C2、一第一电阻R1、一第二电阻R2和一第三电阻R3。第二比较器U5的电压输入端连接第一电压输出端Vcc1；第二比较器U5的输出端连接第一控制信号输入端IN1；第二比较器U5的电源地连接第一接地端GND1；第二电容C2连接于第一比较器U4的输出端与第二比较器U5的同相输入端之间；第一电阻R1连接于第一电压输出端Vcc1和第二比较器U5的反相输入端之间；第二电阻R2连接于第二比较器U5的反相输入端与第一接地端GND1之间；第三电阻R3连接于第二比较器U5的同相输入端与第一接地端GND1之间。
谷值点电路213包括：一第三比较器U6、一第四二极管D11和一第三电容C3。第三比较器U6的反相输入端连接第二信号输入端Tp+；第三比较器U6的电压输入端连接第二电压输出端Vcc2；第三比较器U6的电源地连接第一接地端GND1；第四二极管D11的负极连接第二信号输入端Tp+，第四二极管D11的正极连接第三比较器U6的同相输入端；第三电容C3连接于第二电压输出端Vcc2与第四二极管D11的正极之间。
第二脉冲产生电路214包括：一第四比较器U7、一第四电容C4、一第四电阻R4、一第五电阻R5和一第六电阻R6；其中，第四比较器U7的电压输入端连接第二电压输出端Vcc2；第四比较器U7的电源地连接第一接地端GND1；第四比较器U7的输出端连接第二控制信号输入端IN2；第四电容C4连接于第三比较器U6的输出端与第四比较器U7的反相输入端之间；第四电阻R4连接于第二电压输出端Vcc2与第四比较器U7的同相输入端之间；第五电阻R5连接于第四比较器U7的同相输入端与第一接地端GND1之间；第六电阻R6连接于第四比较器U7的反相输入端与第一接地端GND1之间。
其中，峰值点电路211和第一脉冲产生电路212级联，在峰值点处得到占空比可调脉冲信号；谷值点电路213和第二脉冲产生电路214级联，在谷值点处得到占空比可调脉冲信号；这些电路电能都是自供电方式供给；该匹配开关控制电路21输入信号Tran+、TP+分别与第一模拟开关U1和第二模拟开关U2两端相连；该匹配开关控制电路21自第一控制信号输入端IN1和第二控制信号输入端IN2输出控制信号，分别与第一模拟开关U1和第二模拟开关U2控制端相连。
匹配开关控制电路21分别由第三二极管D10和第四二极管D11在第一电容C1和第三电容C3上得到压电换能器11的峰值点和谷值点；第二电容C2和第四电容C4与第三电阻R3和第六电阻R6构成微分电路，经过第二比较器U5和第四比较器U7，可以得到脉宽可变的脉冲。
请参见图1，本实施例中，整流电路14包括：一第五二极管D3、一第六二极管D4、一第七二极管D5和一第八二极管D6；第五二极管D3的负极连接变压器13的副边的输入端；第六二极管D4的正极连接变压器13的副边的输入端和第五二极管D3的负极；第七二极管D5的正极连接第五二极管D3的正极、匹配电容Cint的第一端和一第二接地端；第八二极管D6的正极连接第七二极管D5的负极和变压器13的副边的输出端；第八二极管D6的负极连接第六二极管D4的负极和匹配电容Cint的第二端。
请参阅图1和图5，DC-DC电路16包括：一控制开关K2、一第三控制信号输入端IN3、一电感L1和一第九二极管D7。其中，控制开关K2第一端连接匹配电容Cint的第二端；第三控制信号输入端IN3连接控制开关K2；电感L1连接于控制开关K2的第二端和第二接地端之间；第九二极管D7的负极连接控制开关K2的第二端；储能电容Cst连接于第九二极管D7的正极和第二接地端之间。
开关控制电路22包括：一电平检测电路221、一低功耗RC振荡电路222和一脉宽调整电路223，电平检测电路221连接匹配电容Cint的第二端和脉宽调整电路223，低功耗RC振荡电路222连接脉宽调整电路223，脉宽调整电路223连接第三控制信号输入端IN3。
电平检测电路221检测匹配电容Cint上的电压，该电压超过设定阈值，通过片选使低功耗RC振荡电路222工作，控制控制开关K2通断。
且只有该电压超过该阈值，才使低功耗RC振荡电路222和脉宽调整电路223产生周期脉冲，并且该脉宽可以调整，该脉冲信号控制的DC-DC电路16有高的转化效率。
请参阅图6，电平检测电路221包括：一第五比较器U8、一第七电阻R7和一第八电阻R8；其中，第五比较器U8的反相输入端连接一基准电压端；第五比较器U8的电源输入端连接一电源端；第五比较器U8的电源地连接第二接地端；第七电阻R7连接于匹配电容Cint的第二端和第五比较器U8的同相输入端之间；第八电阻R8连接于第五比较器U8的同相输入端和第二接地端之间。
低功耗RC振荡电路222包括：一第六比较器U9、一第九电阻R10、一第十电阻R11、一第十一电阻R12和一第五电容C5。其中，第六比较器U9的电源输入端连接电源端；第六比较器U9的电源地连接第二接地端；第九电阻R10连接于电源端与第六比较器U9的同相输入端之间；第十电阻R11连接于第六比较器U9的同相输入端与第二接地端之间；第十一电阻R12连接于第六比较器U9的输出端与反相输入端之间；第五电容C5连接于第六比较器U9的反相输入端与第二接地端之间。
低功耗RC振荡电路222是由低功耗RC振荡器组成，其时钟频率和占空比都可以通过电阻和电容值改变来调整，也可以采用可编程集成时钟电路实现。
脉宽调整电路223包括：一第七比较器U10、一第十二电阻R13和一第十三电阻R14。其中，第七比较器U10的反相输入端连接第六比较器U9的反相输入端；第七比较器U10的电源输入端连接电源端；第七比较器U10的电源地连接第二接地端；第七比较器U10的输出端连接第三控制信号输入端IN3；第十二电阻R13连接于第五比较器U8的输出端和第七比较器U10的同相输入端之间；第十三电阻R14连接于第七比较器U10的同相输入端与第二接地端之间。
其中，第五比较器U8和作为分压电阻的第七电阻R7和第八电阻R8构成电平检测电路221；第六比较器U9、第九电阻R10、第十电阻R11、第十一电阻R12和第五电容C5构成低功耗RC振荡电路222；第七比较器U10和第十二电阻R13、第十三电阻R14构成脉宽调整电路223。
请参阅图7，本发明实施例二的一种双调谐高效压电能量采集管理电路，其结构与实施例一基本相同，其区别在于，上变频开关电路12包括：一第一电压输出端Vcc1、一第一二极管D1、一第一MOS管T1、一第一控制信号输入端IN1、一第二二极管D2、一第二MOS管T2、一第一接地端GND1、一第二控制信号输入端IN2和一第二电压输出端Vcc2。
其中，第一电压输出端Vcc1连接压电换能器11的输出端；第一二极管D1的负极连接压电换能器11的输出端；第一MOS管T1的漏极连接压电换能器11的输出端，第一MOS管T1的源极连接第一二极管D1的正极；第一控制信号输入端IN1连接第一MOS管T1的栅极；第二二极管D2的正极连接第一二极管D1的正极；第二MOS管T2的源极连接第一MOS管T1的源极；第二MOS管T2的漏极连接变压器13的一原边的输入端，变压器13的原边的一输出端连接压电换能器11的输入端；第一接地端GND1连接第一MOS管T1的源极和第二MOS管T2的源极；第二控制信号输入端IN2连接第二MOS管T2的栅极；第二电压输出端Vcc2连接第二二极管D2的负极。
请参阅图1、图2和图8，本发明实施例三的一种双调谐高效压电能量采集管理电路，其结构与实施例一基本相同，其区别在于，开关控制电路22包括：依次连接的一电平检测电路221和一低功耗可编程时钟电路224，电平检测电路221连接匹配电容Cint的第二端；低功耗可编程时钟电路224连接第三控制信号输入端IN3。
电平检测电路221输出直接控制低功耗可编程时钟电路224；低功耗可编程时钟电路224的输出脉冲宽度可由编程控制，这种工作方式功耗更低。
请参阅图1和图9，本发明实施例四的一种双调谐高效压电能量采集管理电路，其结构与实施例一基本相同，其区别在于：上变频开关电路12、整流电路14、DC-DC电路16、匹配开关控制电路21和开关控制电路22集成于一专用集成电路芯片3；压电换能器11、变压器13、匹配电容Cint、储能电容Cst和电感L1连接于专用集成电路芯片3。
除压电换能器11、变压器13、匹配电容Cint、储能电容Cst和电感L1外，所有的电子器件都集成到专用集成电路芯片3中，功耗大幅度降低。
在其他实施例中，上变频开关电路12、整流电路14、DC-DC电路16、匹配开关控制电路21和开关控制电路22也可以分别设置于多个通用集成芯片。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种双调谐高效压电能量采集管理电路，其特征在于，包括一主电路和一控制电路，所述主电路包括依次连接的一压电换能器、一上变频开关电路、一变压器、一整流电路、一匹配电容、一DC-DC电路和一储能电容；所述控制电路包括一匹配开关控制电路和一开关控制电路；所述匹配开关控制电路连接所述上变频开关电路；所述开关控制电路连接所述DC-DC电路；
所述上变频开关电路包括：
一第一电压输出端，所述第一电压输出端连接所述压电换能器的输出端；
一第一二极管，所述第一二极管的负极连接所述压电换能器的输出端；
一第一模拟开关，所述第一模拟开关的一公用端和一电压输入端连接所述压电换能器的输出端；所述第一模拟开关的一ON端和所述第一模拟开关的逻辑地连接所述第一二极管的正极；
一第一控制信号输入端，所述第一控制信号输入端连接所述第一模拟开关的一IN端；
一第二二极管，所述第二二极管的正极连接所述第一二极管的正极，所述第二二极管的负极连接所述变压器的一原边的输入端，所述变压器的原边的一输出端连接所述压电换能器的输入端；
一第二模拟开关，所述第二模拟开关的一公用端和一电压输入端连接所述变压器的原边的输入端；所述第二模拟开关的一ON端和所述第二模拟开关的逻辑地连接所述第一二极管的正极；
一第一接地端，所述第一接地端连接所述第一模拟开关的逻辑地和所述第二模拟开关的逻辑地；
一第二控制信号输入端，所述第二控制信号输入端连接所述第二模拟开关的IN端；和
一第二电压输出端，所述第二电压输出端连接所述第二二极管的负极；
或者，所述上变频开关电路包括：
一第一电压输出端，所述第一电压输出端连接所述压电换能器的输出端；
一第一二极管，所述第一二极管的负极连接所述压电换能器的输出端；
一第一MOS管，所述第一MOS管的漏极连接所述压电换能器的输出端，所述第一MOS管的源极连接所述第一二极管的正极；
一第一控制信号输入端，所述第一控制信号输入端连接所述第一MOS管的栅极；
一第二二极管，所述第二二极管的正极连接所述第一二极管的正极；
一第二MOS管，所述第二MOS管的源极连接所述第一MOS管的源极；所述第二MOS管的漏极连接所述变压器的一原边的输入端，所述变压器的原边的一输出端连接所述压电换能器的输入端；
一第一接地端，所述第一接地端连接所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的源极；
一第二控制信号输入端，所述第二控制信号输入端连接所述第二MOS管的栅极；和
一第二电压输出端，所述第二电压输出端连接所述第二二极管的负极；
所述匹配开关控制电路包括：
一峰值点电路，所述峰值点电路连接一第一信号输入端和所述第一电压输出端；
一第一脉冲产生电路，所述第一脉冲产生电路连接所述峰值点电路、所述第一电压输出端和所述第一控制信号输入端；
一谷值点电路，所述谷值点电路连接一第二信号输入端和所述第二电压输出端；和
一第二脉冲产生电路，所述第二脉冲产生电路连接所述谷值点电路、所述第二电压输出端和所述第二控制信号输入端；
所述峰值点电路包括：
一第一比较器，所述第一比较器的反相输入端连接所述第一信号输入端，所述第一比较器的电源端连接所述第一电压输出端；所述第一比较器的电源地连接所述第一接地端；
一第三二极管，所述第三二极管的正极连接所述第一信号输入端，所述第三二极管的负极连接所述第一比较器的同相输入端；和
一第一电容，所述第一电容连接于所述第三二极管的负极和所述第一接地端之间；
所述第一脉冲产生电路包括：
一第二比较器，所述第二比较器的电压输入端连接所述第一电压输出端；所述第二比较器的输出端连接所述第一控制信号输入端；所述第二比较器的电源地连接所述第一接地端；
一第二电容，所述第二电容连接于所述第一比较器的输出端与所述第二比较器的同相输入端之间；
一第一电阻，所述第一电阻连接于所述第一电压输出端和所述第二比较器的反相输入端之间；
一第二电阻，所述第二电阻连接于所述第二比较器的反相输入端与所述第一接地端之间；和
一第三电阻，所述第三电阻连接于所述第二比较器的同相输入端与所述第一接地端之间；
所述谷值点电路包括：
一第三比较器，所述第三比较器的反相输入端连接所述第二信号输入端；所述第三比较器的电压输入端连接所述第二电压输出端；所述第三比较器的电源地连接所述第一接地端；
一第四二极管，所述第四二极管的负极连接所述第二信号输入端，所述第四二极管的正极连接所述第三比较器的同相输入端；和
一第三电容，所述第三电容连接于所述第二电压输出端与所述第四二极管的正极之间；
所述第二脉冲产生电路包括：
一第四比较器，所述第四比较器的电压输入端连接所述第二电压输出端；所述第四比较器的电源地连接所述第一接地端；所述第四比较器的输出端连接所述第二控制信号输入端；
一第四电容，所述第四电容连接于所述第三比较器的输出端与所述第四比较器的反相输入端之间；
一第四电阻，所述第四电阻连接于所述第二电压输出端与所述第四比较器的同相输入端之间；
一第五电阻，所述第五电阻连接于所述第四比较器的同相输入端与所述第一接地端之间；和
一第六电阻，所述第六电阻连接于所述第四比较器的反相输入端与所述第一接地端之间。
2.根据权利要求1所述的双调谐高效压电能量采集管理电路，其特征在于，所述整流电路包括：
一第五二极管，所述第五二极管的负极连接所述变压器的副边的输入端；
一第六二极管，所述第六二极管的正极连接所述变压器的副边的输入端和所述第五二极管的负极；
一第七二极管，所述第七二极管的正极连接所述第五二极管的正极、所述匹配电容的第一端和一第二接地端；和
一第八二极管，所述第八二极管的正极连接所述第七二极管的负极和所述变压器的副边的输出端；所述第八二极管的负极连接所述第六二极管的负极和所述匹配电容的第二端。
3.根据权利要求2所述的双调谐高效压电能量采集管理电路，其特征在于，所述DC-DC电路包括：
一控制开关，所述控制开关第一端连接所述匹配电容的第二端；
一第三控制信号输入端，所述第三控制信号输入端连接所述控制开关；
一电感，所述电感连接于所述控制开关的第二端和所述第二接地端之间；和
一第九二极管，所述第九二极管的负极连接所述控制开关的第二端；所述储能电容连接于所述第九二极管的正极和所述第二接地端之间。
4.根据权利要求3所述的双调谐高效压电能量采集管理电路，其特征在于，所述开关控制电路包括：一电平检测电路、一低功耗RC振荡电路和一脉宽调整电路，所述电平检测电路连接所述匹配电容的第二端和所述脉宽调整电路，所述低功耗RC振荡电路连接所述脉宽调整电路，所述脉宽调整电路连接所述第三控制信号输入端；
所述电平检测电路包括：
一第五比较器，所述第五比较器的反相输入端连接一基准电压端；所述第五比较器的电源输入端连接一电源端；所述第五比较器的电源地连接所述第二接地端；
一第七电阻，所述第七电阻连接于所述匹配电容的第二端和所述第五比较器的同相输入端之间；和
一第八电阻，所述第八电阻连接于所述第五比较器的同相输入端和所述第二接地端之间；
所述低功耗RC振荡电路包括：
一第六比较器，所述第六比较器的电源输入端连接所述电源端；所述第六比较器的电源地连接所述第二接地端；
一第九电阻，所述第九电阻连接于所述电源端与所述第六比较器的同相输入端之间；
一第十电阻，所述第十电阻连接于所述第六比较器的同相输入端与所述第二接地端之间；
一第十一电阻，所述第十一电阻连接于所述第六比较器的输出端与反相输入端之间；和
一第五电容，所述第五电容连接于所述第六比较器的反相输入端与所述第二接地端之间；
所述脉宽调整电路包括：
一第七比较器，所述第七比较器的反相输入端连接所述第六比较器的反相输入端；所述第七比较器的电源输入端连接所述电源端；所述第七比较器的电源地连接所述第二接地端；所述第七比较器的输出端连接所述第三控制信号输入端；
一第十二电阻，所述第十二电阻连接于所述第五比较器的输出端和所述第七比较器的同相输入端之间；和
一第十三电阻，所述第十三电阻连接于所述第七比较器的同相输入端与所述第二接地端之间。
5.根据权利要求3所述的双调谐高效压电能量采集管理电路，其特征在于，所述开关控制电路包括：依次连接的一电平检测电路和一低功耗可编程时钟电路，所述电平检测电路连接所述匹配电容的第二端；所述低功耗可编程时钟电路连接所述第三控制信号输入端。
6.根据权利要求3所述的双调谐高效压电能量采集管理电路，其特征在于，所述上变频开关电路、所述整流电路、所述DC-DC电路、所述匹配开关控制电路和所述开关控制电路集成于一专用集成电路芯片；所述压电换能器、所述变压器、所述匹配电容、所述储能电容和所述电感连接于所述专用集成电路芯片。
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