CN112202234B - 一种电源管理电路和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种电源管理电路和电子设备，能够通过发电装置将外部不稳定的能量输入至储能模块中，为电子设备供能。本申请电源管理电路的一个实施例包括：发电装置、电压转换模块、储能模块和负载模块，其中，发电装置用于将外部能量转换为电能输入至电压转换模块；电压转换模块包括电荷泵、MPPT控制电路、自适应升降压电路、升压控制电路和降压控制电路，电压转换模块连接在发电装置与储能模块之间，电荷泵用于在发电装置输出的电压小于预设电压时，将发电装置的输出电压进行倍压整流后输入自适应升降压电路；储能模块用于存储电压转换模块输出的电能，并向负载模块供电。

Description

一种电源管理电路和电子设备
技术领域
本申请实施例涉及电子电力技术领域，具体涉及一种电源管理电路和电子设备。
背景技术
随着物联网技术的发展，人们生活中出现了如指纹锁、感应灯和烟雾报警器等低功耗电子设备。但是这些低功耗电子设备大都需要频繁更换电池或接上电源充电，给人们的使用带来了不便。
为了避免更换电池的繁琐操作，工程师期望在一些低功耗电子设备上加装能量收集装置，使其可以在日常使用中自行收集机械能、热能或其他能量为储能装置充电。然而目前的低功耗电子设备的能量来源通常并不稳定，导致最终的能量收集效率低，无法自主供电。
发明内容
针对上述问题，本申请实施例提供了一种电源管理电路和电子设备，能够通过发电装置将外部不稳定的能量输入至储能模块中，为电子设备供能。
本申请第一方面提供一种电源管理电路，包括：
发电装置、电压转换模块、储能模块和负载模块，其中，
所述发电装置用于将外部能量转换为电能输入至所述电压转换模块；
所述电压转换模块包括电荷泵、MPPT控制电路、自适应升降压电路、升压控制电路和降压控制电路，所述电压转换模块连接在所述发电装置与所述储能模块之间，所述电荷泵用于在所述发电装置输出的电压小于预设电压时，将所述发电装置的输出电压进行倍压后输入所述自适应升降压电路；
所述储能模块用于存储所述电压转换模块输出的电能，并向所述负载模块供电；
可选地，所述储能模块包括逻辑控制单元、管理单元和储能单元；
所述逻辑控制单元用于调整所述储能单元的充电策略；
所述管理单元根据所述负载模块所处的工作/休眠模式，控制所述储能单元向负载模块供电。
可选地，所述储能单元包括至少两个储能元件，所述储能元件为超级电容、薄膜电池或锂电池。
可选地，所述管理单元控制多个所述储能元件根据预设的供电策略分时向所述负载模块供电。
可选地，所述储能元件包括缓冲电容、超级电容和延时充电电路；
所述逻辑控制单元控制所述缓冲电容在所述超级电容的充电电流大于第一预设电流时充电；所述逻辑控制单元还控制所述缓冲电容在所述超级电容的充电电流小于第二预设电流时，通过所述延时充电电路向所述超级电容充电。
可选地，所述延时充电电路包括：
运算放大器、第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件和二极管；
所述运算放大器的同相输入端电压等于所述超级电容的耐压值；所述运算放大器的反相输入端连接输出端构成电压跟随器；
所述第一开关元件的第一端连接所述电压转换模块，所述第一开关元件的第二端连接所述缓冲电容的正极和所述第四开关元件的第一端；
所述第二开关元件的第一端连接所述运算放大器的输出端；所述第二开关元件的第二端连接所述缓冲电容的负极和第三开关的第一端；
所述第三开关元件的第二端接地；
所述稳压二极管的阳极连接所述第四开关元件的第二端，所述稳压二极管的阴极连接所述超级电容的正极。
可选地，所述负载模块为智能电子锁；
所述负载模块具体包括：MCU、声音控制器、马达控制器、传感器。
可选地，所述发电装置包括三相发电机、太阳能电池板、热电发电机、射频能量传输器、震动发电机、温差发电机和压电陶瓷发电机中的一种或多种。
本申请第二方面提供一种电子设备，所述电子设备中安装有第一方面中任一项所述的电源管理电路。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请的电源管理电路和电子设备设置了不同的电力变换电路，能够根据发电装置的发电功率，使用不同的电力变换方案，提高了能量收集效率。
附图说明
图1是本申请电源管理电路的一个实施例示意图；
图2是本申请电源管理电路的一个实施例示意图；
图3是本申请电源管理电路的一个实施例示意图；
图4是本申请延时充电电路的一个实施例示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种电源管理电路，用于对低功耗电子设备的供能进行管理。
请参阅图1，该电路主要结构包括:发电装置10、电压转换模块20、储能模块30。
发电装置10用于将外部能量转换为电能输入至所述电压转换模块20，发电装置10可以接收与对应类型的外部能量后，转换为电能输入到电源管理电路中。发电装置10具体可以包括但不局限于三相发电机、太阳能电池板、热电发电机、射频能量传输器、震动发电机、温差发电机和压电陶瓷发电机中的一种或多种，并配置有与这些能量转换元件适配的外围电路。
由于本申请主要用于各种低功耗电子设备，其外部能量的输入波动极大，发电装置10发出的电压不稳定，因此需要经过电压转换模块20进行电压变换后，调整到与储能模块30匹配的电压后在输出到储能模块30。电压转换模块20连接在发电装置10与储能模块30之间，将发电装置10发出的电能进行电力变换后为储能模块30充电。所述电压转换模块20包括电荷泵201、MPPT控制电路202、自适应升降压电路203、升压控制电路204和降压控制电路205。所述电荷泵201用于将所述发电装置10的输出电压进行倍压整流后输入所述自适应升降压电路203，电荷泵201是一种直流-直流转换器，目前的电荷泵201升压倍数最大为两倍。
在自适应升降压电路203的前端接入电荷泵201，能够使得电压转换模块20的阈值电压更低。例如，当自适应升降压模块的工作电压为1.8-5V，输出电压为3.8V时，发电装置10需要提供至少1.8V的电压才能驱动电压转换模块20工作，为储能模块30充电。加入电荷泵201后，发电装置10即便仅提供1V的电压，经过电荷泵201增加后，输入自适应升降压模块的电压为2V，电压转换模块20可以在发电装置10提供较低电压的情况下向储能模块30供电。但是，当发电装置10提供的电压高于1.8V时，已经满足了自适应升降压电路203的工作条件。因此，设置1.8V（通常为自适应升降压电路203的最低工作电压）的预设电压作为条件，当发电装置10的电压低于预设电压时，发电装置10发出的电能会经过电压泵增压后输入自适应升降压电路203，升压模块控制尝试控制自适应升降压电路203对储能模块30进行充电。当发电装置10提供的电压大于1.8V但小于3.8V时，发电装置10发出的电能可以不经过电荷泵201，而是直接输入自适应升降压电路203，在升压控制电路204的控制下输出3.8V的稳定电压为储能装置103供电。当发电装置10提供的电压大于3.8V时，发电装置10发出的电能直接输入自适应升降压电路203，在降压控制电路205的控制下输出3.8V的稳定电压为储能装置103供电。电压转换模块20还配置了MPPT控制电路202，该电路可以根据是增量电导法、恒电压跟踪法、干扰观察法或其他功率跟踪方法进行功率跟踪，不断检测输入发电装置103的输出的电能数据，改变自适应升降压模块102的阻抗，以提高电能转换效率。储能模块30可以包括一个或多个储能元件，用于存储所述电压转换模块20输出的电能，并使用存储的电能向负载模块供电。需要说明的是，上述对各模块的具体数值的举例并不构成对本申请的限定，本领域的技术人员可以对本申请所记载的各模块的数值和内部结构进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。
在一些实施例中，储能模块30具体包括了逻辑控制单元301、管理单元302和储能单元303。其中，逻辑控制单元301用于控制储能单元303的充电策略，以使得储能单元303能够更高效地吸收电压转换模块20传输的电能，具体的充电策略可以由厂商自行设定，以适应不同厂商的储能单元303的结构与规格，在保证对后端负载模块供电的同时，延长储能单元303的充电效率与使用寿命。作为一种较优的实施方式，储能单元303可以包括多个储能元件，这些储能元件可以是超级电容、薄膜电池或锂电池中的任意一种或多种，设置多个储能元件，有利于在充电电流较大时，储能单元303尽可能多地吸收电能。例如，某超级电容的最大充电电流是60mA，发电装置10的在某些情况下输出电压较大，发电装置10输出4V电压时，电压转换模块20最大可输出3.5V电压、100mA电流，电压转换模块20的最大输出电流100mA大于超级电容的最大充电电流是60mA。设置更多的储能元件，可以使得发电装置10提供较大电压时，储能单元303仍能完全吸收电压转换模块20提供的电流。
在图1所示实施例的基础上，可选地，管理单元302可以控制储能单元303内的储能元件分时工作，并且内部存储有多种供电策略，以便对储能单元303的充放电进行管理。例如，当储能单元303包含多个储能元件时，管理单元302控制几个储能元件分时向负载模块供电，使得多个储能元件的电压保持在相同水平。当负载模块处在待机状态时，管理单元302断开负载模块的供电，以节省储能单元303的电能；当接收到对应的触发信号时，管理单元302再对负载模块供电。
在一些实施例中，还提供了储能模块30的另一种结构。针对图2中电压转换模块20的输出电流大于储能单元303的最大充电电流情况，提供了另一种解决方案。请参阅图4，该实施例中，储能模块30包括逻辑控制单元301、管理单元302、储能单元303、缓冲电容304和延时充电电路305。以储能单元303为一个超级电容为例，逻辑控制单元301用于控制储能单元303的充电策略具体包括：逻辑控制单元301设置的第一预设电流、第二预设电流。将第一预设电流设定为接近储能单元303的最大充电电流，当电压转换模块20向储能模块30供电时，实时检测储能单元303的充电电流。如果储能单元303的充电电流大于第一预设电流，则表明当前的电能供给可能过剩，储能单元303不能完全吸收，缓冲电容304通过延时充电电路305吸收剩余电能；储能单元303的充电电流小于第二预设电流，则表明当前的电能供给不足，缓冲电容304通过延时充电电路305为储能单元303充电。可以理解的是，第一预设电流需要根据储能单元303的最大充电电流，设置为一个接近储能单元303的最大充电电流的值，但第二预设电流必须小于或等于第一预设电流，以免缓冲电容304与电压转换模块20一同为储能单元303充电时，储能单元303的充电电流过剩。
在一些具体实施例中，还展示了图3对应实施例中延时充电电路305的一个具体结构，请参阅图4。以一个工作电压为3.5V的超级电容C1作为储能单元303（图中未示出储能单元303的其他连接结构）、一个普通电容C2作为缓冲电容C2为例，该实施例的延时充电电路305包括：运算放大器U1、第一开关元件SW1、第二开关元件SW2、第三开关元件SW3、第四开关元件SW4和二极管D1；所述运算放大器的同相输入端电压等于所述超级电容C1的耐压值；所述运算放大器的反相输入端连接输出端构成3.8V的电压跟随器；所述第一开关元件SW1的第一端连接所述电压转换模块20，所述第一开关元件SW1的第二端连接所述缓冲电容C2的正极和所述第四开关元件SW4的第一端；所述第二开关元件SW2的第一端连接所述运算放大器的输出端；所述第二开关元件SW2的第二端连接所述缓冲电容C2的负极和第三开关SW3的第一端；所述第三开关元件SW3的第二端接地；所述稳压二极管D1的阳极连接所述第四开关元件的第二端，所述稳压二极管D1的阴极连接所述超级电容C1的正极。当超级电容C1的充电电流大于第一预设电流时，逻辑控制单元301控制第一开关元件SW1和第三开关元件SW3导通，为缓冲电容C2充电；当超级电容C1的充电电流小于第一预设电流时，逻辑控制单元301控制第二开关元件SW2和第四开关元件SW4导通，运算放大器U1构成的电压跟随器抬高缓冲电容C2的电压，将缓冲电容C2内存储的电能转移到超级电容C1中，使得缓冲电容C2能够在电能供给过剩时吸收电压转换模块20的电流，并在电能供给不足时，将吸收的电流释放到超级电容C1中。
需要说明的是，上述实施例中的电路结构仅用于帮助本领域技术人员更好地理解本方案，实际实施过程中，电压跟随器的电压可以根据逻辑控制单元301的设定，设置多个不同大小的电压，以适配与不同规格的储能元件。各开关元件可以选用延时充电电路305可以采用其他结构达到类似的效果，储能单元303也可以包括一种或多种储能设备，缓冲电容304可以包含一个或多个电容，电路中的各模块、单元和元件的数值也可以选用其他数值。
本申请的电源管理电路可以分开印刷于多个线路板后组合连接，电路中的元器件可以是任意封装的同类原理性能元器件，或者其串联、并联组合，同样属于本申请的技术创新范围。
本申请的电源管理电路可以应用于各种低功耗的电子产品上，使得一些低功耗的电子产品可以在完全在无外接电源、无需更换电池的情况下运行。本申请的电源管理电路尤其适用于如智能门锁这样的长时间待机、短时间工作的产品，当智能门锁待机时，几乎不消耗电能，并且在用户开关门的过程中，吸收用户开关门产生的机械能并转化为电能，可以实现完全不用电池供电。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，read-onlymemory）、随机存取存储器（RAM，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (6)

1.一种电源管理电路，其特征在于,包括：
发电装置、电压转换模块、储能模块和负载模块，其中，
所述发电装置用于将外部能量转换为电能输入至所述电压转换模块；
所述电压转换模块包括电荷泵、MPPT控制电路、自适应升降压电路、升压控制电路和降压控制电路，所述电压转换模块连接在所述发电装置与所述储能模块之间，所述电荷泵用于在所述发电装置输出的电压小于预设电压时，将所述发电装置的输出电压进行倍压后输入所述自适应升降压电路；
所述储能模块用于存储所述电压转换模块输出的电能，并向所述负载模块供电；
所述储能模块包括逻辑控制单元、管理单元和储能单元；
所述逻辑控制单元用于调整所述储能单元的充电策略；
所述管理单元根据所述负载模块所处的工作/休眠模式，控制所述储能单元向负载模块供电；
所述储能模块还包括缓冲电容和延时充电电路；
当所述储能单元为一个超级电容时，所述逻辑控制单元控制所述缓冲电容在所述超级电容的充电电流大于第一预设电流时充电；所述逻辑控制单元还控制所述缓冲电容在所述超级电容的充电电流小于第二预设电流时，通过所述延时充电电路向所述超级电容充电；
所述延时充电电路包括：运算放大器、第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件和稳压二极管；
所述运算放大器的同相输入端电压等于所述超级电容的耐压值；所述运算放大器的反相输入端连接输出端构成电压跟随器；
所述第一开关元件的第一端连接所述电压转换模块，所述第一开关元件的第二端连接所述缓冲电容的正极和所述第四开关元件的第一端；
所述第二开关元件的第一端连接所述运算放大器的输出端；所述第二开关元件的第二端连接所述缓冲电容的负极和第三开关的第一端；
所述第三开关元件的第二端接地；
所述稳压二极管的阳极连接所述第四开关元件的第二端，所述稳压二极管的阴极连接所述超级电容的正极。
2.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，所述储能单元包括至少两个储能元件，所述储能元件为超级电容、薄膜电池或锂电池。
3.根据权利要求2所述的电源管理电路，其特征在于，所述管理单元控制多个所述储能元件根据预设的供电策略分时向所述负载模块供电。
4.根据权利要求3所述的电源管理电路，其特征在于，所述负载模块为智能电子锁；
所述负载模块具体包括：MCU、声音控制器、马达控制器、传感器。
5.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，所述发电装置包括三相发电机、太阳能电池板、热电发电机、射频能量传输器、震动发电机、温差发电机和压电陶瓷发电机中的一种或多种。
6.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备中安装有如权利要求1-4中任一项所述的电源管理电路。
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