CN109713770A

CN109713770A - 采用高q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路

Info

Publication number: CN109713770A
Application number: CN201910085097.3A
Authority: CN
Inventors: 李平; 文玉梅
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2019-05-03

Abstract

本发明提供一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，包括上变频开关控制电路、动能存储控制电路、以及依次连接的能量采集源、无源低功耗上变频开关电路、压电谐振器动能存储电路、低阈值整流电路和储能电路；上变频开关控制电路连接于能量采集源与无源低功耗上变频开关电路之间，动能存储控制电路连接压电谐振器动能存储电路。本发明的一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其通过高Q值压电谐振器的动能存储，大幅度提高压电谐振器电压幅度和功率输出，使得非常微弱的能量也能被管理电路收集，使得管理电路在低能量密度时高效获得大的功率输出，并将能量储存在大的电容或者可充电电池中，为较大功率的无线节点供能。

Description

采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路

技术领域

本发明涉及微弱能量采集管理电路领域，尤其涉及一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路。

背景技术

无线传感器网络已广泛应用于各种领域，然而，在许多实际应用场合，电池更换非常困难，甚至是不可能的。如在运动部件、高温、高压等危险地方。如果能够采集环境中的能量，为电子装置供能，成为一种切实可行的解决无线传感器能源供给的途径。但是采集自然环境能源时，信号是低频、随机变化的，能量密度非常低，有时甚至还无法达到一些电子元件的阈值，如二极管导通电压和有源器件的电源电压，因此，采用传统能量采集管理电路很难收集这样微弱的能量。

压电谐振器(如石英晶振等)具有非常高的品质因数(Q值)，通过压电谐振器能够将弱的交流信号，谐振累积，得到更大的输出电压和瞬时功率。目前尚缺乏一种采用高Q值压电谐振器的低功耗能量采集管理电路来实现对非常微弱环境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，本发明提供一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其通过高Q值压电谐振器的动能存储，大幅度提高压电谐振器电压幅度和功率输出，突破电子元件阈值的限制，使得非常微弱的能量也能被管理电路收集，使得管理电路在低能量密度时高效获得大的功率输出，并将能量储存在大的电容或者可充电电池中，为较大功率的无线节点供能。

为了实现上述目的，本发明提供一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，包括一上变频开关控制电路、一动能存储控制电路、以及依次连接的一能量采集源、一无源低功耗上变频开关电路、一压电谐振器动能存储电路、一低阈值整流电路和一储能电路；所述上变频开关控制电路连接于所述能量采集源与所述无源低功耗上变频开关电路之间，所述动能存储控制电路连接所述压电谐振器动能存储电路。

优选地，还包括一DC-DC电路和至少一无线传感器，所述无线传感器通过所述DC-DC电路连接所述储能电路。

优选地，所述能量采集源包括压电换能器、电容换能器、感性换能器或纯阻换能器。

优选地，所述无源低功耗上变频开关电路包括：一上变频开关、一第一变压器和一第一电容，所述第一变压器的原边的第一端连接所述能量采集源的输出端，所述上变频开关连接于所述第一变压器的原边的第二端与所述能量采集源的输入端之间；所述第一电容与所述第一变压器的副边并联；所述上变频开关控制电路连接所述能量采集源的输出端和所述上变频开关。

优选地，所述压电谐振器动能存储电路包括：

一压电谐振器子电路，所述压电谐振器子电路的第一端连接所述第一变压器的副边的第一端；

一单刀双掷开关，所述单刀双掷开关的动端连接所述压电谐振器子电路的第二端；

一第二电容，所述第二电容连接于所述单刀双掷开关的一第一不动端和所述第一变压器的副边的第二端之间；所述动能存储控制电路连接所述第一变压器的副边的第一端和所述单刀双掷开关；

一第二变压器，所述第二变压器的原边的第一端连接所述单刀双掷开关的一第二不动端与所述第一变压器的副边的第二端之间；和

一第三电容，所述第三电容与所述第二变压器的副边并联。

优选地，所述压电谐振器子电路包括高Q值的一压电谐振器或一半导体谐振器。

优选地，所述压电谐振器子电路包括多个并联且相同的压电谐振器。

优选地，所述压电谐振器动能存储电路包括：

一单刀双掷开关，所述单刀双掷开关的动端连接所述第一变压器的副边的第一端；

一第二电容，所述第二电容连接于所述单刀双掷开关的一第一不动端和所述第一变压器的副边的第二端之间；

一压电变压器，所述压电变压器的一输入端连接所述单刀双掷开关的一第二不动端，所述压电变压器的一公共端连接所述第一变压器的副边的第二端；和

一第三电容，所述第三电容连接于所述压电变压器的一输出端和一公共端之间。

优选地，所述低阈值整流电路包括一二极管，所述压电谐振器动能存储电路的输出端。

优选地，所述储能电路包括一储能电容，所述储能电容连接于所述二极管的负极与所述压电谐振器动能存储电路之间。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

能量采集源将环境能量转换为电能，上变频开关控制电路将低频随机电信号转化为固定的高频信号，从而减小第一变压器的电感值和体积。由于环境能量密度非常低，为了能够驱动后续二极管，在第一变压器后加入压电谐振器动能存储电路，该电路能够储存微弱的动能，等到其幅值超过某一个阈值，压电谐振器能量通过开关和整流电路对储能电路充电。即使微弱输入信号，由于加入高Q值谐振电路，能够降低输入电压和功率要求，为非常微弱的能量采集器储能。上变频开关控制电路采用自供电峰谷值点电路，通过检测能量采集源输出信号的峰谷值点，在此时开启上变频开关，使得能量采集源更多电能输出。上变频开关控制电路调整控制信号占空比，能够改变无源低功耗上变频开关电路的上变频频率。DC-DC电路能够将储能电容上的能量转化为特定直流电能，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采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路的结构示意图；

图2为本发明实施例一的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路的电路图；

图3为本发明实施例二的压电谐振器子电路的电路图；

图4为本发明实施例三的压电谐振器子电路的电路图；

图5为本发明实施例四的压电谐振器子电路的电路图。

具体实施方式

下面根据附图1～图5，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和图2，本发明实施例一的一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，包括一上变频开关控制电路6、一动能存储控制电路7、以及依次连接的一能量采集源1、一无源低功耗上变频开关电路2、一压电谐振器动能存储电路3、一低阈值整流电路4和一储能电路5；上变频开关控制电路6连接于能量采集源1与无源低功耗上变频开关电路2之间，动能存储控制电路7连接压电谐振器动能存储电路3。

还包括一DC-DC电路8和至少一无线传感器9，无线传感器9通过DC-DC电路8连接储能电路5。

本实施例中，能量采集源1包括压电换能器、电容换能器、感性换能器或纯阻换能器。

无源低功耗上变频开关电路2包括：一上变频开关S1、一第一变压器T1和一第一电容C2，第一变压器T1的原边L1的第一端连接能量采集源1的输出端，上变频开关S1连接于第一变压器T1的原边L1的第二端与能量采集源1的输入端之间；第一电容C2与第一变压器T1的副边L2并联；上变频开关控制电路6连接能量采集源1的输出端和上变频开关S1。

本实施例中，压电谐振器动能存储电路3包括：一压电谐振器子电路31、一单刀双掷开关S2、一第二电容C3、一第二变压器T2和一第三电容C4。

其中，压电谐振器子电路31的第一端连接第一变压器T1的副边的第一端；单刀双掷开关S2的动端连接压电谐振器子电路31的第二端；第二电容C3连接于单刀双掷开关S2的一第一不动端a和第一变压器T1的副边的第二端之间；动能存储控制电路7连接第一变压器T1的副边的第一端和单刀双掷开关S2；第二变压器T2的原边的第一端连接单刀双掷开关S2的一第二不动端b与第一变压器T1的副边L2的第二端之间；第三电容C4与第二变压器T2的副边并联。

本实施例中，压电谐振器子电路31包括高Q值的一压电谐振器X_z。

低阈值整流电路4包括一二极管D1，压电谐振器动能存储电路3的输出端。

储能电路5包括一储能电容Cst，储能电容Cst连接于二极管D1的负极与压电谐振器动能存储电路3之间。

无源低功耗上变频开关电路2由上变频开关控制电路6控制开启和关闭上变频开关S1，实现上变频的频率变换；上变频开关控制电路6是根据换能器输出的峰值和谷值，开启上变频开关S1的，关断时刻由能量采集源1的最大功率点决定，这时能量采集源1输出最大功率；第一变压器T1为上变频开关控制电路6提供匹配负载。

压电谐振器动能存储电路3由高Q值的压电谐振器X_z和谐振回路构成，能够将微弱交流信号变为大的幅度信号；动能存储控制电路7检测压电谐振器X_z谐振幅度大小，决定储能和释放的时刻，当上变频信号较小时，储能持续，直到谐振幅度超过某一个阈值，压电谐振器X_z的能量通过单刀双掷开关S2释放给后级低阈值整流电路4和储能电容Cst；当动能存储控制电路7的能量释放完毕，单刀双掷开关S2又回到储能状态；第二变压器T2是为了压电谐振器X_z动能存储电路3提供匹配负载。

低阈值整流电路4将在压电谐振器X_z上储存的动能能量通过低阈值整流电路4转化为直流，传送给大的储能电容Cst，为更大功率电子器件，如无线传感器9供能；DC-DC电路8通过开关周期性地开启和关断，将储能电容Cst上能量转化到负载上，为不同电源电压、较大功率的负载，如无线传感器9供能。

另外，储能电路5可采用电池，电池有更大容量，能够储存更多能量，不过，通常情况下，其漏电流也会增加，但只要输入的功率大于泄漏的功率，就能够确保储能元件有大的能量存储。

第一变压器T1和第二变压器T2采用高Q值的器件，二极管D1采用低漏电流的肖特基二极管，上变频开关S1选用低反向漏电流和低导通电阻MOS器件，选用漏电流小电容，减小电路损耗。

无源低功耗上变频开关电路2将随机低频信号转化到高频固定频率，便于后续匹配和动能储存。压电谐振器动能存储电路3利用高Q值压电谐振器对于微弱信号谐振放大，产生更高的电压和功率输出。储能电路5为大的储能电容或者电池，将微弱动能转化为电势能储存起来，为较大功率负载供能。上变频开关控制电路6根据能量采集源1输入的信号峰谷值，开启无源低功耗上变频开关电路2，而关断时间则由需要上变频的频率决定。动能存储控制电路7根据压电谐振器动能存储电路3上动能的多少决定是储能，还是释放能量，从而将较多的储能输出给低阈值整流电路4和储能电路5。DC-DC电路8根据无线传感器9的电源要求，将储能电路5的电压转化到负载上，同时，也能通过长时间储能，瞬间给较大的电子元件提供较大功率，如无线传感器。

本实施例中，能量采集源1可以等效为电压源V_i和电容C_i串联；它收集环境的振动能量，将其转化为电能；通常在能量采集源1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，需要将低频随机信号调整到固定频率的高频信号上，控制开关S1可以实现上变频功能；第一变压器T1、能量采集源1、控制开关S1和第一电容C2构成调谐匹配回路，第一变压器T1的副边L2输出能够得到最大功率。

压电谐振器X_z、单刀双掷开关S2和第二电容C3构成压电谐振器动能存储电路3，此时，回路谐振电压和功率都增强；当谐振电压幅度超过某一个阈值，单刀双掷开关S2由第一不动端a点切换到第二不动端b，在压电谐振器X_z上能量通过第二变压器T2、第三电容C4和低阈值整流电路4，转换到储能电容Cst上，为后续电子设备供能。

上变频开关控制电路6检测能量采集源1的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，使得控制开关S1导通，这时从能量采集源1获得最大功率；上变频开关控制电路6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；该电路的电源为高效自供电电源，完全由能量采集源1提供必要的能量。

本实施例中，动能存储控制电路7检测压电谐振器X_z上的谐振电压幅度，当该电压低于某一阈值，单刀双掷开关S2切换到第一不动点a，第一变压器T1、第一电容C2、压电谐振器X_z和第二电容C3构成谐振电路，由于压电谐振器X_z具有很高的Q值，回路损耗非常低，压电谐振器X_z上谐振电压幅度逐步增加，动能能量也大幅度提高；当该电压超过某一阈值，单刀双掷开关S2切换到第二不动点b，压电谐振器X_z上储存动能迅速通过第二变压器T2、第三电容C4和低阈值整流电路4，转换到储能电容Cst上；动能存储控制电路7周期性地输出控制信号，使得单刀双掷开关S2间歇开启和关断，实现对于微弱信号的周期性动能储存和释放，突破二极管等器件导通阈值限制，能够将非常微弱能量转化到储能电容Cst上，为后续电路供能。

本发明实施例一的一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其中，能量采集源1将环境能量转换为电能，上变频开关控制电路6将低频随机电信号转化为固定的高频信号，从而减小第一变压器T1的电感值和体积。由于环境能量密度非常低，为了能够驱动后续二极管D1，在第一变压器T1后加入压电谐振器动能存储电路3，该电路能够储存微弱的动能，等到其幅值超过某一个阈值，压电谐振器X_z能量通过开关和整流电路对储能电路充电。即使微弱输入信号，由于加入高Q值谐振电路，能够降低输入电压和功率要求，为非常微弱的能量采集器储能。上变频开关控制电路6采用自供电峰谷值点电路，通过检测能量采集源1输出信号的峰谷值点，在此时开启上变频开关S1，使得能量采集源1更多电能输出。上变频开关控制电路6控制电路调整控制信号占空比，能够改变无源低功耗上变频开关电路2的上变频频率。DC-DC电路8能够将储能电容Cst上的能量转化为特定直流电能，为后续的较大功耗的电子装置供能。

请参阅图3，本发明实施例二的一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其结构与实施例一的结构基本相同，其区别在于：压电谐振器子电路31包括多个并联且相同的压电谐振器X_z。

压电谐振器X_z并联能够大幅度提高压电谐振器动能存储电路3输出电压和输出功率，提高最终储能电压；要得到多个参数完全相同的压电谐振器X_z，需要满足串、并联谐振频率等参数完全相同。

请参阅图4，本发明实施例三的一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其结构与实施例一的结构基本相同，其区别在于：压电谐振器子电路31包括高Q值的一半导体谐振器。这便于通过半导体集成工艺实现；多个这种谐振器并联会大幅度提高储能电压和功率。

另外，压电谐振器动能存储电路3中压电谐振器子电路31可以由具有相同等效电路的压电晶振、QCM或者半导体谐振器组成，如FBAR等，具有相同动态电感Lx、动态电容Cx、动态电阻Rx和分布电容C0，具有高Q值的半导体谐振器能够便于与其它半导体器件集成在一起，由于半导体材料较为容易通过集成电路制造各种参数相同谐振器，在其他实施例中，多个参数相同谐振器并联会大幅度提高储能电压和功率。

请参阅图2和图5，本发明实施例四的一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其结构与实施例一的结构基本相同，其区别在于：

压电谐振器动能存储电路3包括：一单刀双掷开关S2、一第二电容C3、一压电变压器X_z1和一第三电容C4；其中，单刀双掷开关S2的动端连接第一变压器T1的副边的第一端；第二电容C3连接于单刀双掷开关S2的一第一不动端a和第一变压器T1的副边的第二端之间；压电变压器X_z1的一输入端311连接单刀双掷开关S2的一第二不动端b，压电变压器X_z1的公共端313连接313第一变压器T1的副边的第二端；第三电容C4连接于压电变压器X_z1的一输出端312和公共端313之间。

压电变压器X_z1有更大的动态电容，能够更容易与后面大的储能电容Cst匹配；压电变压器X_z1的引入能够省掉线圈变压器，减小体积，提高品质因数。

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

1.一种采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，包括一上变频开关控制电路、一动能存储控制电路、以及依次连接的一能量采集源、一无源低功耗上变频开关电路、一压电谐振器动能存储电路、一低阈值整流电路和一储能电路；所述上变频开关控制电路连接于所述能量采集源与所述无源低功耗上变频开关电路之间，所述动能存储控制电路连接所述压电谐振器动能存储电路。

2.根据权利要求1所述的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，还包括一DC-DC电路和至少一无线传感器，所述无线传感器通过所述DC-DC电路连接所述储能电路。

3.根据权利要求2所述的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，所述能量采集源包括压电换能器、电容换能器、感性换能器或纯阻换能器。

4.根据权利要求3所述的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，所述无源低功耗上变频开关电路包括：一上变频开关、一第一变压器和一第一电容，所述第一变压器的原边的第一端连接所述能量采集源的输出端，所述上变频开关连接于所述第一变压器的原边的第二端与所述能量采集源的输入端之间；所述第一电容与所述第一变压器的副边并联；所述上变频开关控制电路连接所述能量采集源的输出端和所述上变频开关。

5.根据权利要求4所述的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，所述压电谐振器动能存储电路包括：

一第三电容，所述第三电容与所述第二变压器的副边并联。

6.根据权利要求5所述的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，所述压电谐振器子电路包括高Q值的一压电谐振器或一半导体谐振器。

7.根据权利要求5所述的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，所述压电谐振器子电路包括多个并联且相同的压电谐振器。

8.根据权利要求4所述的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，所述压电谐振器动能存储电路包括：

9.根据权利要求5～8任一项所述的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，所述低阈值整流电路包括一二极管，所述压电谐振器动能存储电路的输出端。

10.根据权利要求9所述的采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路，其特征在于，所述储能电路包括一储能电容，所述储能电容连接于所述二极管的负极与所述压电谐振器动能存储电路之间。