CN111030274A - 采用高q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路 - Google Patents

采用高q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路 Download PDF

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Abstract

一种采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路，其特点在于包括压电能量采集器、阻抗匹配与电感储能电路、储能控制开关电路、整流充电电路、能量存储电路、上变频开关控制电路、储能控制开关驱动电路和DC‑DC电路。本发明的储能电感采用高Q值器件，通过上变频匹配技术将低频压电元件的能量最大化提取并传递到电感中，压电元件的能量先被储存到电感中，电感的电流不断积聚增大，当电感电流达到阈值时被释放到整流充电回路。较大的整流电流可降低整流二极管导通功耗，从而提高电路充电功率。

Description

采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路
技术领域
本发明涉及微弱压电能量采集器，特别是一种采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路。
背景技术
无线传感器网络可应用于很多领域，其传统供电方式是使用电池，然而电池供电具有更换困难、寿命有限等问题。通过能量采集器收集自然环境的能量(如振动能)并转换为电能，可以为无线传感器解决电池供电的问题。自然环境的能量一般较弱，振动源不定，振动信号是低频、随机的，并且压电能量采集器(1)的内部阻抗大，导致压电能量采集器(1)输出功率较弱。当使用传统电源管理电路时，由于流入整流二极管的电流微弱(几μA)，二极管微导通，其导通电阻和功耗很大，电路将难以高效地为储能电容充电。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路，该管理电路所述的储能电感采用高Q值器件，通过上变频匹配技术将低频压电元件的能量最大化提取并传递到电感中，压电元件的能量先被储存到电感中，电感的电流不断积聚增大，当电感电流达到阈值时被释放到整流充电回路。较大的整流电流可降低整流二极管导通功耗，从而提高电路充电功率。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路，其特点在于包括压电能量采集器、阻抗匹配与电感储能电路、储能控制开关电路、整流充电电路、能量存储电路、上变频开关控制电路、储能控制开关驱动电路和DC-DC电路；
所述的压电能量采集器具有输出的第一端和第二端，收集环境的振动能量，将其转化为电能；
所述的阻抗匹配与电感储能电路包括储能电感、单刀双掷上变频开关和第一电容，所述的储能电感采用高Q值器件，所述的储能电感的第一端连接所述的压电能量采集器的第一端，第二端接所述的单刀双掷上变频开关的公共端；所述的单刀双掷上变频开关的第二不动端连接所述的压电能量采集器的第二端；所述的单刀双掷上变频开关的公共端连接所述的上变频开关控制电路的输出端；所述的第一电容连接所述的单刀双掷上变频开关的第一不动端和所述的储能电感的第一端之间；
所述的储能控制开关驱动电路包括储能控制开关，所述的储能控制开关的第一端连接所述的储能电感的第二端；
所述的整流充电电路包括整流二极管、续流二极管和续流电感，所述的整流二极管的第一端连接所述的储能电感的第一端和所述的续流电感的第一端，所述的续流电感的第一端连接于所述的续流二极管的第二端，所述的续流二极管的第二端连接于所述的储能控制开关的第二端；
所述的能量存储电路包括储能电容，所述的储能电容连接于所述的整流充电电路的输出端。
所述的所述的整流充电电路由一个整流二极管构成。
所述的阻抗匹配与电感储能电路由第一变压器、单刀双掷上变频开关和第一电容构成，所述的单刀双掷上变频开关的第二端连接第一变压器的原边的第二端；第一变压器的原边的第一端连接压电能量采集器的第一端，第一变压器的副边与第一电容并联；第一电容输出端连接于储能控制开关电路的输入端。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
本发明的压电能量采集器将环境能量转换为电能。所述的上变频开关控制电路将低频电信号转换为高频谐振信号，降低了储能电感的电感值和体积。当电源管理电路输入功率微弱时，流入整流二极管的电流较低，产生的二极管导通功耗较大，为了降低二极管功耗，使用高Q值电感作为储能器件，通过储能控制开关来控制能量的存储与释放。
压电能量采集器的电能先存储在储能电感中，当电感电压幅度超过某一个阈值时，储能控制开关闭合，电感的能量通过开关和整流充电电路对能量存储电路充电。因为电感的储能的作用，流入整流二极管的电流较高，降低二极管的导通电阻和二极管的功耗，从而提高电源管理电路的充电功率。所述的上变频开关控制电路为自供电峰值点电路，通过检测压电能量采集器输出信号的峰值点，输出控制信号驱动上变频开关，使得压电能量采集器最大化输出功率并存储到储能电感。上变频开关控制电路可调整输出控制信号的占空比，能够改变上变频开关的上变频谐振频率。储能控制开关驱动电路为自供电电压检测电路，通过检测储能电感的电压来控制储能控制开关的闭合或断开。当储能电感的电压高于某一阈值时，储能控制开关闭合，电感电压低于某一阈值时，储能控制开关断开。
所述的DC-DC电路能够将储能电容上的能量转化为某一稳定的直流电能，为后续的较大功耗的电子装置供能。
附图说明
图1为本发明采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路总体结构示意图；
图2为本发明采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路实施例1的电路图；
图3为本发明采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路实施例2的电路图；
图4为本发明采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路实施例3的电路图。
具体实施方式
下面根据附图1～图4，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，图1为本发明采用高Q值电感储能的低功率压电能量采集器电源管理电路的总体结构示意图；图2为本发明采用高Q值电感储能的低功率压电能量采集器电源管理电路实施例1的电路图；
实施例1
由图可见，本发明采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路实施例1，包括压电能量采集器1、阻抗匹配与电感储能电路2、储能控制开关电路3、整流充电电路4、能量存储电路5、上变频开关控制电路6、储能控制开关驱动电路7和DC-DC电路8；
所述的压电能量采集器1具有输出的第一端和第二端，收集环境的振动能量，将其转化为电能；
所述的阻抗匹配与电感储能电路2包括储能电感L、单刀双掷上变频开关S1和第一电容C1，所述的储能电感L采用高Q值器件，所述的储能电感L的第一端连接所述的压电能量采集器1的第一端，第二端接所述的单刀双掷上变频开关S1的公共端；所述的单刀双掷上变频开关S1的第二不动端连接所述的压电能量采集器1的第二端；所述的单刀双掷上变频开关S1的公共端连接所述的上变频开关控制电路6的输出端；所述的第一电容C1连接在所述的单刀双掷上变频开关S1的第一不动端和所述的储能电感L的第一端之间；
所述的储能控制开关驱动电路7包括储能控制开关S2，所述的储能控制开关S2的第一端连接所述的储能电感L的第二端；
所述的整流充电电路4包括整流二极管D1、一续流二极管D2和一续流电感L0，所述的整流二极管D1的第一端连接所述的储能电感L的第一端和所述的续流电感L0的第一端，所述的续流电感L0的第一端连接于所述的续流二极管D2的第二端，所述的续流二极管D2的第二端连接于所述的储能控制开关S2的第二端；
所述的能量存储电路5包括储能电容Cst，所述的储能电容Cst连接于所述的整流充电电路4的输出端，所述的储能电容Cst的输出端通过所述的DC-DC电路8给无线传感节点设备9供电。
本实施例中，所述的压电能量采集器1可以等效为一电流源Vp和电容Cp并联；压电能量采集器1收集环境的振动能量，将其转化为电能；当其负载与压电能量采集器1的内阻抗达到匹配时，输出功率最大；压电能量采集器1、中间储能电感L、上变频开关S1构成阻抗匹配回路，将压电能量采集器1的能量最大功率地输出到电感L上。
本实施例中，阻抗匹配与中间储能电路2包括一单刀双掷上变频开关S1、储能电感L和第一电容C1，所述的储能电感L的第一端连接所述的压电能量采集器1的第一端；单刀双掷上变频开关S1的公共端连接中间储能电感L的第二端；单刀双掷上变频开关S1的第一不动端连接第一电容C1的第二端；单刀双掷上变频开关S1的第二不动端连接压电能量采集器1的第二端；单刀双掷上变频开关S1的公共端连接所述的上变频开关控制电路6的输出端；第一电容C1连接中间储能电感L的第一端。
本实施例中，储能控制开关电路3包括一储能控制开关S2，阻抗匹配与电感储能电路2的输出端。
上变频开关控制电路6检测压电能量采集器1的输出信号，当压电能量采集器1输出信号达到峰值时，上变频开关控制电路6输出控制信号驱动上变频开关S1，压电能量采集器1的能量被最大化传递并存储到中间储能电感L中；第一电容C1为匹配电容，储能电感L通过与第一电容C1谐振匹配，具有较高的电压、电流增益；通过多次提取压电能量采集器1的能量，并将能量不断累积到储能电感L中，能够将微弱的压电交流信号积聚为幅度较大的信号。
储能控制开关电路3由储能控制开关驱动电路7来控制开关S2的断开和闭合，储能控制开关S2断开时，储能电感L储能，其能量逐渐增大，直至电感L电压高于某一阈值时，储能控制开关S2闭合，储能电感L的能量被迅速释放到整流充电电路4和能量存储电路5。当阻抗匹配与电感储能电路2的能量释放完毕，储能控制开关S2断开，储能电感L再次处于储能状态。
储能控制开关驱动电路7检测储能电感L的电压，当储能电感L的电压高于阈值时，储能控制开关驱动电路7控制开关S2闭合，否则控制开关S2断开。
整流充电电路4通过整流二极管D1将阻抗匹配与中间储能电路2储存的能量转换为直流，传递到能量存储电路5的储能电容Cst中。续流二极管D2和续流电感L0组成续流回路，多余的能量通过续流回路仍流回储能电容Cst。
能量存储电路5所采用的能量存储器件包括电解电容、超级电容、电池，电池容量较大，可存储更多能量，但是其漏电流也会增加，只要电池的输入功率大于泄漏功率，就可获得能量存储。采用电解电容、超级电容作为能量存储器件，需要考虑电容容值、漏电流等参数。当能量存储器件的能量足够大时，可为大功率电子设备供能，如无线传感节点设备9。
DC-DC电路8将能量存储电路5的能量转化到负载上，通过瞬间释放能量存储电路5的能量为电子设备(如无线传感节点设备9)提供较大功率。
储能电感L采用高Q值器件，如通过降低电感L的分布电容、降低电感L的内阻或者使用有较高磁导率的磁芯来提高电感L的较高的Q值。
整流二极管D1、续流二极管D2采用低漏电流的肖特基二极管，单刀双掷上变频开关S1、储能控制开关S2选用低反向漏电流和低导通电阻模拟开关芯片或者MOS器件，续流电感L0选用低内阻电感，电容C1、Cst选用漏电流小的电容，减小电路损耗。
实施例2
请参阅图3，本发明采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路实施例2，其结构与实施例1的结构基本相同，其区别在于：整流充电器件41采用一二极管，该二极管为无源二极管或有源二极管。
实施例3
请参阅图4，本发明采用高Q值压电谐振器的微弱能量采集管理电路实施例3，其结构与实施例1的结构基本相同，其区别在于：
阻抗匹配与中间储能电路2包括：上变频开关S1、第一变压器T1和第一电容C1；其中，上变频开关S1的第一端连接压电能量采集器1的第二端，上变频开关S1的第二端连接第一变压器T1的原边L1的第二端；第一变压器T1的原边L1的第一端连接压电能量采集器1的第一端，第一变压器T1的副边L1的与第一电容C1并联；第一电容C1的输出端连接于储能控制开关电路3的输入端。
第一变压器T1隔离原边和副边回路，第一变压器T1的原边回路的阻抗发生变换时，不影响第一变压器T1的副边回路的阻抗匹配，能够提高电源管理电路的充电功率；第一变压器T1通过改变匝数比，实现阻抗变换，能够调整输出到第一变压器T1的副边的电流和电压，更容易与能量存储电路5的储能电容Cst实现匹配。
实验表明，本发明的储能电感采用高Q值器件，通过上变频匹配技术将低频压电元件的能量最大化提取并传递到电感中，压电元件的能量先被储存到电感中，电感的电流不断积聚增大，当电感电流达到阈值时被释放到整流充电回路。较大的整流电流可降低整流二极管导通功耗，从而提高电路充电功率。
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 (3)

1.一种采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路，其特征在于包括压电能量采集器(1)、阻抗匹配与电感储能电路(2)、储能控制开关电路(3)、整流充电电路(4)、能量存储电路(5)、上变频开关控制电路(6)、储能控制开关驱动电路(7)和DC-DC电路(8)；
所述的压电能量采集器(1)具有输出的第一端和第二端，收集环境的振动能量，将其转化为电能；
所述的阻抗匹配与电感储能电路(2)包括储能电感(L)、单刀双掷上变频开关(S1)和第一电容(C1)，所述的储能电感(L)采用高Q值器件，所述的储能电感(L)的第一端连接所述的压电能量采集器(1)的第一端，第二端接所述的单刀双掷上变频开关(S1)的公共端；所述的单刀双掷上变频开关(S1)的第二不动端连接所述的压电能量采集器(1)的第二端；所述的单刀双掷上变频开关(S1)的公共端连接所述的上变频开关控制电路(6)的输出端；所述的第一电容(C1)连接所述的单刀双掷上变频开关(S1)的第一不动端和所述的储能电感(L)的第一端之间；
所述的储能控制开关驱动电路(7)包括储能控制开关(S2)，所述的储能控制开关(S2)的第一端连接所述的储能电感(L)的第二端；
所述的整流充电电路(4)包括整流二极管(D1)、一续流二极管(D2)和一续流电感(L0)，所述的整流二极管(D1)的第一端连接所述的储能电感(L)的第一端和所述的续流电感(L0)的第一端，所述的续流电感(L0)的第一端连接于所述的续流二极管(D2)的第二端，所述的续流二极管(D2)的第二端连接于所述的储能控制开关(S2)的第二端；
所述的能量存储电路(5)包括储能电容(Cst)，所述的储能电容(Cst)连接于所述的整流充电电路(4)的输出端，所述的储能电容(Cst)的输出端通过所述的DC-DC电路(8)给无线传感节点设备(9)供电。
2.根据权利要求1所述的采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路，其特征在于所述的所述的整流充电电路(4)由一个整流二极管(D1)构成。
3.根据权利要求1所述的采用高Q值电感储能的微弱压电能量采集器电源管理电路，其特征在于所述的阻抗匹配与电感储能电路(2)由第一变压器(T1)、单刀双掷上变频开关(S1)和第一电容(C1)构成，所述的单刀双掷上变频开关(S1)的第二端连接第一变压器(T1)的原边(L1)的第二端；第一变压器(T1)的原边(L1)的第一端连接压电能量采集器(1)的第一端，第一变压器(T1)的副边(L2)与第一电容(C1)并联；第一电容(C1)输出端连接于储能控制开关电路(3)的输入端。
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