CN110707924A - 一种基于adp5091的能量采集管理电路 - Google Patents

一种基于adp5091的能量采集管理电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于ADP5091的能量采集管理电路，属于能量采集技术领域。该管理电路包括整流电路模块、电源管理模块和输出控制模块；所述整流电路模块包括整流电路和滤波电容；所述电源管理模块包括ADP5091芯片电路、可编程电阻电路和储能电容；所述输出控制模块包括低压检测IC和模拟开关。本发明采用的ADP5091芯片，对16μW到600mW范围内的输入进行高效转换，通过可编程电阻电路设置储能电容充放电阈值以及输出电压，ADP5091电源管理模块对所采集到能量进行管理，并由输出控制模块控制输出；从而实现充电与放电的快速切换，为低功耗用电模块在短时间内提供3.3V的供电电压。

Description

一种基于ADP5091的能量采集管理电路
技术领域
本发明属于能量采集技术领域，涉及一种基于ADP5091的能量采集电源管理电路。
背景技术
能量采集技术是将环境中未被利用的能量收集起来，并转换为可以直接使用的电能的技术，发展至今已经有超过20多年的历史。在很长一段时间里，由于其能够提供的功率很低，应用领域狭窄，能量采集技术发展十分缓慢。但是，近年来，随着无线传感器网络技术和MENS的飞速发展，出现了各种超低功耗的设备，应用日趋广泛。
在一些需要大规模布设无线传感器节点的应用场景下，如自然灾害监测、环境监测等，如何使无线传感器节点工作更长时间甚至在其工作生命周期内不需要后期维护，成为很重要的问题。而传统的电池供电方式存在寿命短和需要更换电池等缺点，制约了无线传感器和MENS的发展。因此，能够将环境中未利用的能量转换成直接使用的电能的能量采集技术成为重点关注对象。目前能量采集方向主要有压电能量采集，电磁能量采集，热电采集等。
不同能量形式由于其输入特性的不同，导致有不同的电源管理电路与之对应。这些专用的电源管理电路大大限制了能量采集技术的大规模应用以及成本的降低。现有的针对能量采集的电源管理电路中，设计的结构较为复杂。每当遇到不同特性的采集源就要调整其电路的参数，来匹配相应的负载，降低了电源管理电路的通用性。由于电路本身器件多，就会消耗更多采集的能量，使得整个电路的转换效率降低。
因此亟需一种结构简单且转换率较高的能量采集电源管理电路。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ADP5091的能量采集电源管理电路，实现充电与放电的快速切换，为低功耗用电模块在短时间内提供较为稳定的3.3V供电电压。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于ADP5091的能量采集管理电路，包括整流电路模块、电源管理模块和输出控制模块；所述整流电路模块包括整流电路和滤波电容；所述电源管理模块包括ADP5091芯片、可编程电阻电路和储能电容；所述输出控制模块包括低压检测IC和模拟开关；
所述整流电路模块通过输入端与外部采集源相连接，完成对所采集的能量进行整流和滤波，并输入给电源管理模块；所述电源管理模块通过整流电路模块的输入，对所采集到能量进行管理，并由输出控制模块控制输出；所述输出控制模块通过从电源管理模块获取输出控制信号，实现充电与放电的快速切换，为低功耗用电模块在短时间内提供较为稳定的3.3V供电电压。
进一步，所述电源管理模块分别连接整流电路模块和输出控制模块，通过可编程电阻电路设置储能电容充放电阈值以及输出电压，完成对储能电容的充放电控制。
进一步，所述ADP5091芯片的SYS引脚用于给输出控制模块提供工作电源；ADP5091芯片的PGOOD引脚与低压检测IC和模拟开关连接。
进一步，所述输出控制模块通过低压检测IC对电源管理模块的输出电压进行监测，当电源管理模块输出电压下降到设定阈值时，低压检测IC输出一个低电平信号给模拟开关和ADP5091芯片的PGOOD引脚，此时模拟开关将断开低功耗用电模块与电源管理电路的连接，同时ADP5091对储能电容进行充电，从而实现对充放电过程的控制。
进一步，所述整流电路模块包括：整流电路和滤波电容；所述整流电路包括四只低导通压降低泄漏的整流二极管；所述滤波电容包括一个贴片电容；
所述四只低导通压降低泄漏的整流二极管并联接入滤波电容两端，所述滤波电容一端与通过绕线电感与电源管理模块连接，另一端接地。
本发明的有益效果在于：本发明采用ADP5091电源管理模块通过整流电路模块的输入，对所采集到能量进行管理，并由输出控制模块控制输出，保证了电源管理电路的能量高效转换；输出控制模块通过低压检测IC STM1061对ADP5091电源管理模块的输出电压进行监测，达到预设条件时模拟开关ADG841自动切断低功耗用电模块与电源输出的连接，从而实现充电与放电的快速切换，为低功耗用电模块在短时间内提供较为稳定的3.3V供电电压。另外，本发明采用的电源管理模块利用了ADP5091集成MPPT和充电管理的功能。它将原复杂的电路结构简化为了一个集成IC，使得电源管理电路的结构大大简化。ADP5091对采集的能量从16μW到600mW范围内可实现高效转换，其转换效率可以达到70％以上，而且其工作损耗在μW级别。它还可以通过可编程电阻电路来设置储能电容充放电阈值以及设置输出电压阈值。这使得对其操作简单，拓展了其应用的场景范围。
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为基于ADP5091的能量采集电源管理电路整体结构；
图2为基于ADP5091的能量采集电源管理电路原理图；
图3为输出控制模块工作顺序示意图；
图4为空载时的储能电容充电波形图；
图5为储能电容和负载两端波形图；
图6为加负载时的储能电容、ADP5091电源管理输出和输出控制模块波形图。
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。
请参阅图1～图6，图1为本发明所述的基于ADP5091的能量采集电源管理电路整体结构，主要由整流电路模块、电源管理模块和输出控制模块组成。如图2所示，整流电路模块包括：整流电路、滤波电容；整流电路包括四只低导通压降低泄漏的整流二极管(D1～D4)；滤波电容包括一个贴片电容C1。电源管理模块包括：ADP5091芯片电路、可编程电阻电路、储能电容C2和输入电感L1(即绕线电感)；ADP5091芯片电路包括ADP5091芯片、电阻、电容等若干器件；可编程电阻电路包括九个编程电阻；储能电容为电解电容或者超级电容。输出控制模块包括：低压检测IC和模拟开关；本实施例低压检测IC为STM1061，能够对输出电压进行检测，并输出对应的逻辑控制信号；模拟开关为ADG841，起切断和连接负载的功能。
ADP5091芯片所支持的输入为直流电，而能量采集源的输出大多是交流电，通过集成在本电源管理电路上的全桥整流电路和滤波电容，可以将采集源的交流电转化为直流电。ADP5091芯片利用内部冷启动电路，调节器可以在低至380mV的输入电压下启动。完成冷启动后，便可以在80mV至3.3V的输入电压范围内正常工作。
实施例：
如图2所示，图2为基于ADP5091的能量采集电源管理电路原理图，本发明所述的基于ADP5091的电源管理电路可在能量为16μW到600mW范围内的能量采集源实现高效转换。随着电源管理电路器件的增加，电路自身的损耗必然会增加，这不仅加大了电源管理电路对采集源的消耗，更使得能量传递到负载的效率降低。所以，在此基础上，尽量减少器件和减少器件本身的消耗成为一个核心关注点。因此本实施例设计的如图2所示电路，在不影响正常功能情况下，尽可能降低器件损耗，从而提高从采集源到负载的能量传递效率。本实施采用的电源管理电路主要由整流二极管和贴片电容构成的整流电路模块，输入电感，ADP5091芯片、可编程电阻电路等构成电源管理模块，低压检测IC STM1061和模拟开关ADG841构成输出控制模块。
如图3所示，图3为输出控制模块工作顺序示意图，ADP5091芯片的SYS引脚为低压检测IC STM1061和模拟开关ADG841提供工作电源，PGOOD引脚与低压检测IC STM1061的OUT引脚和模拟开关ADG841的IN引脚相连接。模拟开关ADG841在逻辑高电平输入时，电源端S和负载端D导通；在逻辑低电平输入时，电源端S和负载端D断开。在放电过程中，PGOOD引脚随着SYS引脚的电压下降而下降，当SYS引脚的电压下降到低压检测IC STM1061设定的阈值时，OUT引脚输出逻辑低电平，从而给模拟开关ADG841逻辑低电平信号，使得电源端S和负载端D断开，同时，也拉低了PGOOD的电平信号，此时ADP5091芯片给储能电容充电，直到储能电容电压和SYS的电压达到设定的放电电压，才进行下一次放电过程，至此完成一个工作周期。
如图4所示，图4为空载时的储能电容充电波形图，为方便观察充电时的波形，本次选取的储能电容C2为47μF耐压50V的电解电容。通过可编程电阻电路对储能电容的充放电上下限电压进行设置，设置充电上升阈值的公式为：
Figure BDA0002237534600000041
其中，VREF为芯片参考电压，RTERM1、RTERM2分别表示引脚TERM的编程电阻1和2；考虑到静态功耗，电阻之和必须大于6MΩ，在本实施例中，RTERM1为7.32MΩ、RTERM2为3.01MΩ，由上述公式计算得充电上限电压约为5.14V。设置放电下降阈值电压的公式为：
Figure BDA0002237534600000042
其中，RSD1、RSD2分别表示引脚SETSD的编程电阻1和2；在本实施例中，RSD1为6.40MΩ，RSD2为4.32MΩ，计算放电下降阈值电压为2.5V。由于没有介入负载，所以观察不到电容电压下降的过程，而是一直维持在充电上限的状态。
如图5所示，图5为储能电容和负载两端波形图，ADP5091芯片可以设置PGOOD电压的阈值，该阈值表示SYS电压在可接受水平，设置PGOOD电压阈值的公式为：
Figure BDA0002237534600000043
其中，RPG1、RPG2分别表示引脚SETPG的编程电阻1和2；RPG1为6.98MΩ，RPG2为3.01MΩ，可计算得PGOOD电压阈值约为3.3V。在本实施例中选取的储能电容为47μF耐压50V的电解电容，负载为一个LED灯。由负载两端波形图可以观察到，储能电容从3.40V附近开始放电，放电到2.96V，释放的能量为：
能量采集源处输入的能量为：
w2＝UinIint1＝1.18*0.255*340*10-3≈0.102mJ
电源管理电路输出的能量为：
w3＝UoutIoutt2＝3.15*0.45*32*10-3≈0.045mJ
于是可求得从采集源处到储能电容的能量传递效率为：
Figure BDA0002237534600000052
从储能电容到负载的能量传递效率为：
Figure BDA0002237534600000053
电源管理电路整体能量传递效率为：
Figure BDA0002237534600000054
从上述计算结果中可以得出，本发明能量传递效率明显高于同类型的电源管理电路。
如图6所示，图6为加负载时的储能电容、ADP5091芯片输出和输出控制模块波形图，在本例中，设置PGOOD电压阈值为3.6V，储能电容选取为2200μF，负载为nRF24LE1开发板加Si7050温度传感器。在ADP5091处于冷启动过程中，电容电压呈现线性上升的趋势，而ADP5091的SYS输出则是不稳定的。当储能电容电压与SYS的电压相同时，冷启动完成，储能电容与SYS引脚的电压同步上升。当储能电容与SYS的电压达到通过编程电阻电路设置的PGOOD电压阈值时，就开始向负载供电。当PGOOD电压下降到STM1061的阈值时，STM1061输出一个逻辑低电平使得ADG841关断，同时ADP5091芯片给储能电容充电，完成一个闭合和关断的过程，如图中红色曲线部分所示。
在测试中，NRF24LE1超低功耗单片机系统成功将Si7050温度传感器的温度数据通过2.4G无线模块发送到了另一个2.4G的接收模块上，并且由单片机发送到PC上，通过串口调试助手打印出来。这验证了电源管理电路有效地驱动了超低功耗模块工作，为诸如自然灾害监测、环境监测等应用场景下工作的无线传感器或者MENS提供了非常有价值的电源管理方案。
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)

1.一种基于ADP5091的能量采集管理电路，其特征在于，该管理电路包括整流电路模块、电源管理模块和输出控制模块；所述整流电路模块包括整流电路和滤波电容；所述电源管理模块包括ADP5091芯片电路、可编程电阻电路和储能电容；所述输出控制模块包括低压检测IC和模拟开关；
所述整流电路模块通过输入端与外部采集源相连接，完成对所采集的能量进行整流和滤波，并输入给电源管理模块；所述电源管理模块通过整流电路模块的输入，对所采集到能量进行管理，并由输出控制模块控制输出；所述输出控制模块通过从电源管理模块获取输出控制信号，实现充电与放电的快速切换，为低功耗用电模块在短时间内提供较为稳定的3.3V供电电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于ADP5091的能量采集管理电路，其特征在于，所述电源管理模块分别连接整流电路模块和输出控制模块，通过可编程电阻电路设置储能电容充放电阈值以及输出电压，完成对储能电容的充放电控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于ADP5091的能量采集管理电路，其特征在于，所述ADP5091芯片电路的SYS引脚用于给输出控制模块提供工作电源；ADP5091芯片电路的PGOOD引脚与低压检测IC和模拟开关连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于ADP5091的能量采集管理电路，其特征在于，所述输出控制模块通过低压检测IC对电源管理模块的输出电压进行监测，当电源管理模块输出电压下降到设定阈值时，低压检测IC输出一个低电平信号给模拟开关和ADP5091芯片的PGOOD引脚，此时模拟开关将断开低功耗用电模块与电源管理电路的连接，同时ADP5091对储能电容进行充电，从而实现对充放电过程的控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于ADP5091的能量采集管理电路，其特征在于，所述整流电路模块包括：整流电路和滤波电容；所述整流电路包括四只低导通压降低泄漏的整流二极管；所述滤波电容包括一个贴片电容；
所述四只低导通压降低泄漏的整流二极管并联接入滤波电容两端，所述滤波电容一端与通过绕线电感与电源管理模块连接，另一端接地。
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