CN110061530A - 一种应用于220v电力线的电场能量采集电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于220V电力线的电场能量采集电源，属于能量采集技术领域。该电源包括双层铜箔电极能量采集器和能量管理模块；所述双层铜箔电极能量采集器包括：紧贴电力线的第一层铜箔电极、覆盖铜箔的第一层高介电常数绝缘层、包裹绝缘层的第二层铜箔电极和覆盖铜箔的第二层高介电常数绝缘层；所述能量管理模块：整流电路、开关电路和降压稳压电路；所述双层铜箔电极能量采集器通过从220V电力线采集电场能量，并通过能量管理模块将所收获的能量转换为3.3V电源输出，供给低功耗用电模块。本发明能实现快速充电，同时为低功耗电子产品提供3.3V稳定电压。
Description
技术领域
本发明属于能量采集技术领域，涉及一种应用于220V电力线的电场能量采集电源。
背景技术
能量采集技术是将环境中未被使用的杂散能量收集起来，并转换为可以直接使用的电能的技术。环境中存在的光能、热能、电磁能、机械能等，其本身是扩散状态，存在很多未被利用的部分。能量采集技术则根据不同能量设计不同的采集器，将未被利用的能量集中起来。集中起来的能量再经过AC-DC整流电路，DC-DC变换器，以及能量管理控制方法转化为可以直接使用的电能。能量采集所获得的电能，普遍很少，一般在几uJ至几百mJ。物联网、智能传感器、智能可穿戴设备等功耗越来越低，能量采集技术可以有效实现电能供给，极大推动了相关领域的发展。
目前能量采集方向主要有振动能量采集，电磁能量采集，光能采集等。不同能量有相对成熟的能量采集器和等效电路模型。如压电片实现振动能量采集，电磁线圈实现电磁能量采集，光伏电池实现光能采集。这些能量采集方向共同面临的主要问题是能量采集效率低，和能量管理电路的器件损耗占比大。
电场能量和电磁能量均存在于电力线周围。而不同于电磁能量的是，电场能量采集不受电力线负载影响，不必考虑线圈的启动电流。但受电力线电压影响较大，低压电力线周围电场能量密度非常低。目前，电场能量采集研究主要针对于上千伏的高压电力线，对于220V电力线的电场能量研究较少。220V低压条件下，很难提高电场能量采集功率，因为器件损耗，能量传递效率低，对mJ级别的能量管理也极具挑战。
现有低压电力线电场能量采集研究中，均采用单层金属电极结构，在有限长度内形成的分布电容非常小，在几十pF到几百pF不等；所能实现的采集功率也都在uW级别；所采用的压电式MEMS开关成本较高，易受静电影响，不利于推广应用。在固定220V低压条件下，通过增大分布电容大小减小取能结构内等效容抗，是提高取能结构充电功率的有效途径。当然，增加铜箔的长度同样可以达到这个目的，但无论工业现场还是家庭住宅，过长的铜箔不易装贴。电力线弯曲转折会导致铜箔破裂，使得电场能量泄露，取能结构输出功率减小。双层铜箔电极结构，可通过并联增大分布电容，使得取能结构有较大输出功率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于220V电力线的电场能量采集电源，该电源采用双层铜箔电极作为采集器，采集功率达到3.4uW，可在13分钟将47uF储能电容充电至11V。采用微功耗电池管理芯片MAX666，和低功耗LDO芯片TLV70433，实现短暂时间内3.3V电压输出。可为单次用电量在2mJ以内的用电设备供电。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于220V电力线的电场能量采集电源，包括双层铜箔电极能量采集器和能量管理模块；所述双层铜箔电极能量采集器包括：紧贴电力线的第一层铜箔电极、覆盖铜箔的第一层高介电常数绝缘层、包裹绝缘层的第二层铜箔电极和覆盖铜箔的第二层高介电常数绝缘层；所述能量管理模块：整流电路、开关电路和降压稳压电路；
所述双层铜箔电极能量采集器通过从220V电力线采集电场能量，并通过能量管理模块将所获的能量转换为3.3V电源输出，供给低功耗用电模块。
进一步，所述第一层铜箔电极与电力线内部导线形成第一层分布电容；所述第二层铜箔电极与电力线内部导线形成第二层分布电容；两层铜箔电极在末端连接，由导线引出；两层分布电容并联。
进一步，所述整流电路通过导线连接到双层铜箔电极能量采集器，完成对所采集位移电流的整流，实现对储能电容充电。
进一步，所述开关电路分别连接储能电容和降压稳压电路，监测储能电容电压以及电源输出电压，完成储能电容的充放电控制。
进一步，所述降压稳压电路通过电池管理芯片MAX666先将储能电容释放的电量降压转压为5V，然后通过低功耗LDO芯片TLV70433，将输出电压稳定在3.3V；同时，当从MAX666输出的电压低于4V时，MAX666将向开关电路反馈一个接地信号。
本发明的有益效果在于：本发明采用双层铜箔电极能量采集器，该采集器采集功率达到3.4uW，实现了13分钟将47uF储能电容充电至11V(即实现了快速充电)；能量管理模块保证了储能电容由11V放电至3V，再从3V充电至11V的充放电循环过程。该电源可以为用电量在2mJ以内的用电设备提供有效的3.3V稳定电压。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为220V电力线双层铜箔电极电场能量采集电源整体结构；
图2为3.3V输出能量管理模块电路原理图；
图3为开关电路结构分析示意图；
图4为开关电路中器件工作顺序示意图；
图5为开关电路中等效电容示意图；
图6为双层铜箔电极结构的等效电路图；
图7为单层铜箔电场能量采集电源效果图；
图8为双层铜箔电场能量采集电源效果图；
图9为接3.6KΩ电阻负载时电源输出测试结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，图1为本发明所述的220V电力线双层铜箔电极电场能量采集电源整体结构，主要由电场能量采集器、整流电路，储能电容、开关电路、降压稳压电路组成。电场能量采集器包括紧贴电力线的第一层铜箔电极、覆盖铜箔的第一层高介电常数绝缘层、包裹绝缘层的第二层铜箔电极、覆盖铜箔的第二层高介电常数绝缘层；所述整流电路包括两只低压降低泄漏的整流二极管；储能电容为电解电容；开关电路包括PNP三极管、N沟道MOSFET等若干器件，能监控储能电容两端电压，控制储能电容的充放电。降压稳压电路包括电池管理芯片MAX666，低泄漏低功耗LDO芯片TLV70433，能将电容释放的能量降压稳压为稳定的3.3V电源输出。
电场能量采集器为双层铜箔电极结构。能将220V电力线周围杂散的电场能量以位移电流的形式通过导线导出，位移电流为uA级别的工频交流电流。位移电流经过整流电路变为带交流分量的直流电流，开始对储能电容充电。开关电路对储能电容两端电压实时监控，当储能电容电压达到11V，开关电路打开，储能电容开始放电；当储能电容放电至4V，开关电路关闭，储能电容又重新开始充电。降压稳压电路将电容释放的能量转换为稳定的3.3V电源输出，可为对应电压的负载提供电能。
实施例：
如图2所示，图2为3.3V输出能量管理模块电路原理图，因为本发明所述电场能量采集电源可获得的电场能量非常小，功率只有uW级别，电源管理电路器件的增加，显然会增加损耗，使得能量传递到负载的传递效率降低。但器件减少又将导致无法完成指定的功能，这是在以往相同领域中电路存在的比较显著的问题。因此本实施例设计如图2所示电路，提高能量传递效率，在完成功能情况下，降低器件损耗。本实施采用的电场能量采集电源主要由整流二极管构成的整流电路，PNP三极管、N沟道MOSFET、稳压二极管等构成的开关电路，电池管理芯片MAX666和低功耗LDO芯片TLV70433构成的降压稳压电路组成。
整流电路为由两只低压降、低泄漏的整流二极管构成的半波整流电路。
开关电路通过稳压管反向导通特性与电阻分压，依次打开PNP三极管和MOSFET。将SGND连通PGND，使得储能电容放电。当储能电容放电至3V，开关电路根据输出反馈信号，再依次关闭PNP三极管和MOSFET，断开SGND和PGND的连接。储能电容继续充电。
如图3～4所示，充电过程中，因为二极管D3存在。回路①类似开路，只有非常小的泄露电流通过。储能电容电压几乎全部加载到D3，当达到设定电压值，D3瞬间反向导通。由此，三极管Q1通过回路①获得开启电流与开启电压。随后回路②导通，R6的分压给到Q2栅极，打开Q2，接通回路③，和回路⑤。流经R2的电流保证了三极管的开启状态。同时，因为Q2的打开，接通了SGND和PGND，储能电容开始放电。整个过程在几us时间内完成。然后，储能电容Cs进入放电过程，当输出电压下降到设定下限电压时，MAX666将返回一个接地信号。依次关闭三极管和MOSFET。开关电路重新回到开路状态，继续为储能电容充电。因为，三极管，MOSFET内部结电容以及电路寄生电容存在，储能电容可以下降到一定下限电压值，得以稳定维持。
如图5所示，图5中Cp为三极管、二极管和MOSFET中存在的结电容和电路寄生电容合并的等效电容。其大小选取和确定非常关键，直接关系到储能电容的放电时下限电压。如果Cp太大，储能电容Cs放电时下限电压将很小，会导致输出不稳定。如果Cp太小，导致下限电压拉高，可能导致释放能量不足，不足以驱动负载。Xeq为电容以外电路的等效阻抗，这个值必须非常大，确保泄露电流足够小，降低器件损耗。
降压稳压电路接收到储能电容释放的能量，首先由电池管理芯片MAX666将11V下降至4V期间的直流电转换稳定为5V输出，再通过低功耗LDO芯片TLV70433将5V直流电转换为稳定3.3V输出，避免了储能电容下落电压低于LDO输出电压时，引起的电压跟随，使得输出电压不足。MAX666的LBI引脚实现对电路中5V直流电监控，当其低于4V时，MAX666的LBO引脚将向开关电路发送一个反馈信号。由此，该电源可以实现一段时间充电，短时放电的循环过程。可以为不需要连续工作的无线传感器节点提供2mJ左右的有效电能。
本实施例设计的电路在足够少的器件情况下，完成了电场能量的收集与释放，并保证了输出电压的稳定性。使得能量管理电路成本更低，能量传递效率更高。
仿真验证：如图6所示，图6为双层铜箔电极结构的等效电路图，CL1、CL2分别为第一层铜箔和第二层铜箔与电力线内部导线间的分布电容。铜箔厚度以及铜箔间绝缘层厚度非常小，因此，CL1≈CL2。根据电容串并联等效转换关系，电力线内火线和铜箔的分布电容为：
CCH＝CL1+CL2≈2CL1
采用ANSOFT软件进行模拟的有限元仿真分析：对比仿真图图7和图8，分析可以得出，模拟储能电容的中心场强在单层铜箔结构时为973mV/m；相同条件下，双层铜箔结构时为29V/m。相比传统的单层结构，增大了近30倍。
给本实施中的电场能量采集电源接3.6KΩ电阻负载时，电源输出测试结果如图9所示，储能电容电压由11V下降至4V。释放的能量为：
电源输出释放的能量为：
电路能量传递效率为：
从上述公式中可以得出，本发明能量传递效率明显高于同类型，电场能量采集领域的其他电源。能够有效驱动超低功耗Zigbee节点等低功耗可间断供电的用电设备。有效替代传统锂电池供电，在恶劣环境下避免了电池更换，充电等耗费的人力物力，为无线传感器网络提供了非常有价值的电源供电方案。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种应用于220V电力线的电场能量采集电源，其特征在于，该电源包括双层铜箔电极能量采集器和能量管理模块；所述双层铜箔电极能量采集器包括：紧贴电力线的第一层铜箔电极、覆盖铜箔的第一层高介电常数绝缘层、包裹绝缘层的第二层铜箔电极和覆盖铜箔的第二层高介电常数绝缘层；所述能量管理模块：整流电路、开关电路和降压稳压电路；
所述双层铜箔电极能量采集器通过从220V电力线采集电场能量，并通过能量管理模块将所获的能量转换为3.3V电源输出，供给低功耗用电模块。
2.根据权利要求1所述的一种应用于220V电力线的电场能量采集电源，其特征在于，所述第一层铜箔电极与电力线内部导线形成第一层分布电容；所述第二层铜箔电极与电力线内部导线形成第二层分布电容；两层铜箔电极在末端连接，由导线引出；两层分布电容并联。
3.根据权利要求1所述的一种应用于220V电力线的电场能量采集电源，其特征在于，所述整流电路通过导线连接到双层铜箔电极能量采集器，完成对所采集位移电流的整流，实现对储能电容充电。
4.根据权利要求1所述的一种应用于220V电力线的电场能量采集电源，其特征在于，所述开关电路分别连接储能电容和降压稳压电路，监测储能电容电压以及电源输出电压，完成储能电容的充放电控制。
5.根据权利要求1所述的一种应用于220V电力线的电场能量采集电源，其特征在于，所述降压稳压电路通过电池管理芯片MAX666先将储能电容释放的电量降压转压为5V，然后通过低功耗LDO芯片TLV70433，将输出电压稳定在3.3V；同时，当从MAX666输出的电压低于4V时，MAX666将向开关电路反馈一个接地信号。
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