CN112510997A - 一种用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法 - Google Patents

一种用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法，属于电力电子领域。包括电能变换电路、控制电路、驱动电路；所述电能变换电路利用boost电路与倍压整流电路的拓扑结构的相似性结合而成；所述电能变换电路中boost的升压电感可与能量收集装置的线圈进行复用；所述电磁式振动能量收集装置的线圈可位于PCB板上，线圈电感可作为升压电路电感；所述电能变换电路中boost电路的电源与倍压电路的电容进行复用。本发明采用boost电路与倍压电路结合的方式，并配合控制策略使得电磁式振动能量收集或电磁能量收集装置能够在变化的外部环境中工作，保持稳定的电压输出并存储一定的能量，同时尽可能简化电路的拓扑结构。

Description

一种用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法。
背景技术
随着无线通讯技术和无线传感器网络的飞速发展，人们对无线通讯系统和传感器的各个方面的性能也提出了更高的要求，尤其是在可持续性上。传统功耗系统和传感器的供电设备往往是电池，而如今许多人开始研究利用外部环境的能量，借助电能收集电路来为设备供电。这种供电与传统的普通电池供电相比主要有：可持续性供电、节约能源、保护环境、减少更换电池对系统的影响和造成的经济性损失等优点。能量收集电路的这些特点使其更加符合未来的发展要求，因此具有非常广阔的前景和市场。随着该类产品市场需求的不断增加，能量收集电路的相关问题也在被广泛研究，为了提高能量收集电路在应用中的效率，使外部能量得到充分利用，需要对能量收集电路进行设计。电能变换电路在能量收集系统中尤为重要，它兼顾整流和电压调节的功能，变换电路的合理设计对效率的提高有着很重要的作用。
现阶段振动能量收集电路中的电能变换电路主要有：两级式能量收集电路、直接AC-DC变换器和开关电容式能量收集电路。
其中，两级式能量收集电路结构较为复杂，两级变换导致的器件上的压降和损耗使得效率降低；直接AC-DC变换器对输入电压正负半周分别控制，减小了器件上的损耗，但其需要额外的电感，器件数量较多，设计复杂成本高。同时电路中缺少储能元件，如果外部振动消失，则输出电压迅速下降。电容式倍压电路无需开关器件即可实现电压放大输出，但在外部振动消失时输出也会迅速下降。因此，对于微弱能量收集电路的领域，一种结构简单、效率高、并且对于外部环境扰动适应性强、可持续性供电的电路拓扑结构显得较为重要。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法，旨在能量源不稳定的情况下，通过采用储能和多模态电能变换相结合的模式，实现能量收集系统稳定持续供能输出，同时具有精简的电路结构。
为实现上述目的，本发明一方面提供了包含储能用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法，包括电能变换电路、控制电路与驱动电路；电能变换电路包括整流模块、储能模块、滤波模块与负载模块；控制电路包括线圈电流检测电路、PWM波产生电路、电容电压检测电路、切换电路；电能变换电路用于将收集的能量进行变换与处理，同时存储能量并对负载输出；控制电路为电能变换电路提供控制策略，减小负载的输出受外部环境的影响，保证负载的输出能够稳定；驱动电路由控制电路控制，并向电能变换电路提供驱动信号。
本发明是以boost升压电路和二倍压整流电路为基础，将两者电路拓扑结构的特点相结合所构建成的电路。两种电路在一定的外部条件下交替工作。其中，振动能量收集器中的线圈兼作boost升压电路的升压电感，二倍压整流电路中的电容兼作boost升压电路的直流源。
在外部振动存在的时候，振动装置内的磁铁也跟随振动，线圈通过电磁感应产生电压，作为电压源向储能电容充电，同时向变换电路供电。此时，电路工作与倍压整流电路的模式下。当外部振动消失时，线圈没有了电磁感应作用，变为拥有一定电感数值的无源元件。同时，储能电容由于没有了外部电源的充电作用，开始对外放电，可看作为一个电压变化的直流电压源。此时，电路工作在boost升压电路的工作模式下。利用外部振动时倍压整流在储能电容中存储的能量使得负载在外部振动消失的一段时间内仍可保持较高的电压输出。电路的切换是通过对输出电压的变化进行检测来实现的。电路中的所有控制方式均采用运算放大器构成，结构简单。
电能变换电路中的整流模块由线圈、一个储能电容、两个二极管、一个NMOS管、一个滤波电容构成，线圈和储能电容串联后与NMOS管并联，同时与第一二极管并联；并联时，第一二极管的正向导通方向与NMOS管寄生二极管的正向导通方向相同；前述电路再与第二二极管串联，第二二极管的阳极与第一二极管的阴极连接至同一点；前述电路再与滤波电容并联；储能模块由储能电容构成，滤波模块由滤波电容构成，负载模块并联在滤波电容的两端构成。电路以boost升压电路为基础，由储能电容代替直流源位置，两个二极管中一个和NMOS管并联，检测电容与检测电阻串联并共同并联在线圈两端。
优选地，电能变换电路的线圈通过PCB板绕制而成。线圈用作电能变换电路的电感以及外部能量收集的媒介。储能电容不仅用作储能元件，还用做电能变换电路中的主体部分。
优选地，线圈电流检测电路由一个检测电阻与检测电容串联而成，并联到线圈的两端。
优选地，PWM波产生电路，由三个运算放大器构成，在外部振动消失的情况下，用于将检测电容上所得的线圈电流信号放大并与电容电压检测电路给定的参考电压值进行滞环控制，产生PWM波，经驱动电路输入至NMOS管的栅极处。
优选地，电容电压检测电路由一个运算放大器构成，在外部振动消失的时候检测储能电容的电压大小，给后续的PWM波产生电路一基准电压，来对PWM的占空比进行控制。
优选地，切换电路由两个运算放大器与两个与门构成，两个运算放大器分别构成电压比较器与迟滞比较器，通过比较输出电压与给定值的大小来控制运算放大器的工作以及NMOS管的工作情况。
优选地，驱动电路采用图腾柱结构来实现NMOS管的驱动。
优选地，运算放大器以及驱动的电源均可由电路的输出电压来供电，实现电路的完全自供电设计。
本发明另一方面提供了一种基于上述混合型升压电路的控制方法，包括以下步骤：
当外部振动出现时，电能变换电路由控制电路切换至倍压整流工作模式，驱动电路由控制电路控制停止输出，并对其进行升压以达到负载所需的电压值，此时电能变换电路收集环境中的能量同时对能量进行存储并输出；
当外部振动消失时，电能变换电路由控制电路切换至boost电路模式，驱动电路由控制电路控制启动输出，此时电能变换电路利用储能电容在振动存在时的储能电容作为电源，通过控制电路与驱动电路对电能变换电路进行稳压控制，保持负载电压仍然维持在一个较高的值，使外部源消失的时候仍然可以保证输出的稳定。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明提出了一种将boost升压电路和倍压整流电路结合的新型电路拓扑结构，可减少变换电路中器件的使用，增加效率，实现能量收集与储能单元同时工作，同时消除了电感集成所带来的困难并且可在外部环境不稳定时保证输出的持续性。该电路拓扑也可进行拓展，拓展为多级倍压与boost电路的混合结构，提供更高的升压比。
附图说明
图1是本发明提供的用于能量收集系统的混合型升压电路的示意图；
图2是本发明提供的用于能量收集系统的混合型升压电路的结构图；
图3是本发明提供的用于能量收集系统的混合型升压电路的整体工作模式图；
图4是本发明提供的电能变换电路的结构图；
图5(a)是本发明提供的电能变换电路在外部振动存在时的等效电路；
图5(b)是本发明提供的图5(a)中的等效电源Vi、节点1电压以及输出电压VO1的波形图；
图6(a)是本发明提供的电能变换电路在外部振动消失时的等效电路；
图6(b)是本发明提供的图6(a)中NMOS管栅极电压VG、电感电流IL、节点1电压以及输出电压VO2的波形图；
图7是本发明提供的用于能量收集系统的混合型升压电路在外部振动消失时的稳压控制策略；
图8是本发明提供的线圈电流检测电路示意图；
图9是本发明提供的PWM波产生电路示意图；
图10是本发明提供的电容电压检测电路示意图；
图11是本发明提供的切换电路示意图；
图12是本发明提供的切换电路工作的具体波形图；
图13是本发明提供的驱动电路示意图；
图14是本发明提供的电能变换电路整体工作波形；
图15是本发明提供的电能变换电路拓展后的多级升压拓扑结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明所提出的在能量收集环境中的电能变换电路的拓扑是基于二倍压整流电路和boost升压电路来构成的，通过对输出电压的检测来切换电路，并通过电流滞环控制模式来对boost电路进行稳压。图1所示为用于能量收集系统的混合型升压电路的示意图(以振动能量收集为例)。图2所示为能量收集系统的混合型升压电路的结构图，包括电能变换电路、控制电路与驱动电路；电能变换电路包括整流模块、储能模块、滤波模块与负载模块；控制电路包括线圈电流检测电路、PWM波产生电路、电容电压检测电路、切换电路；电能变换电路用于将收集的能量进行变换与处理，同时存储能量并对负载输出；控制电路为电能变换电路提供控制策略，减小负载的输出受外部环境的影响，保证负载的输出能够稳定；驱动电路由控制电路控制，并向电能变换电路提供驱动信号。图3是外部环境变化时电路的整体工作模式图，通过检测外部振动的存在与否进而控制电路的工作模式。
本发明提供的电能变换电路可适用于电磁式振动能量收集以及电磁能量收集。
电能变换电路结构图如图4所示，可以看出该电路拓扑为boost升压电路与倍压整流电路的融合，其中线圈在PCB板上来构造，L和r即为线圈的电感与电阻。
当外部振动出现时，线圈从能量收集装置中获取能量，看作电压源，电压波形近似正弦波。此时NMOS管M关闭，电路工作在倍压整流模式中，电路对储能电容充电同时对负载进行供电。此时电能变换电路的等效电路和等效电源Vi、节点1电压以及输出电压VO1的电压波形如图5(a)和图5(b)所示。该电路中线圈产生的电压为正弦波，在t1～t2时，线圈产生的电压Vin为负半周时，二极管D1导通，Vin通过D1向储能电容C1充电，将电容C1两端的电压VC1充电至电压源的峰值
Figure BDA0002782331650000061
在t2～t3时，线圈产生的电压Vin处于正半周时，电压源Vin以及电容C1同时向电容C2和负载供电，将电容C2的电压值充电至电压源峰值的两倍
Figure BDA0002782331650000071
左右，起到倍压整流的效果。此时负载两端的输出电压VO1由线圈产生的电压值Vin和电路中的器件压降来决定。
当外部振动消失的时候，控制电路控制NMOS管工作。此时，线圈可看作一个恒定值的电感L和较小的电阻r的串联，在倍压整流电路工作过程中充电完成的电容可以看成一个直流电压源。此时电路的等效电路和NMOS管栅极电压VG、电感电流IL、节点1电压以及输出电压VO2的波形如图6(a)和图6(b)所示。在0～t1时，NMOS管栅极电压VG为高电平时，M开通，直流电压源VDC(即电容C1两端电压)向电感L充电，V1＝0。在t1～t2时，NMOS管栅极电压VG为低电平，M关断，直流电压源VDC和电感上的电压VL共同通过VD1向负载供电。由电路中电感L的作用、电容C1的稳压作用以及二极管D1的单向导电作用使得负载两端的电压即VC1大于直流电压源的电压，起到电压泵升的作用。其输出的电压大小与NMOS管M的占空比有关。在电感电流连续时，其输出电压应为：VO2＝1/(1-α)*VDC。
在外部振动消失的时候的具体控制策略如图7所示。该控制系统由反馈环节和前馈环节共同控制输出稳定的电压VO。本控制策略利用电感上的电流IL(即输入电流Ii)的反馈以及输入电压Vi的扰动前馈来控制误差电压Ue，由Ue通过滞环比较器产生的PWM波连接boost电路的开关管M的栅极。通过电流IL的滞环控制来产生PWM波，通过改变PWM波来调节输出电压Vo因为输入电压Vi的变化而产生的变化，从而使得输出电压Vo稳定。
线圈电流检测电路用来检测输入电流Ii，其结构图如图8所示，由于图8中C和R所在的回路阻抗远大于线圈的阻抗，则输入电感电流IL≈Ii由式：
VL(s)＝(r+sL)IL(s) (1)
得：
Figure BDA0002782331650000081
即当L/r＝RC时，VC(s)＝r*IL(s)即电容C上的电压正比于电感L上的电流。
PWM波产生电路采用滞环控制技术产生PWM波，其具体电路如图9所示。PWM波产生电路由两部分组成：由运算放大器U1构成的差分放大电路以及由运算放大器U2构成的迟滞比较器。差分放大器的主要作用是将采集电感电流的电容C上的电压进行放大以便于控制。运算放大器U1的放大倍数为：
Figure BDA0002782331650000082
由运算放大器U2构成的迟滞比较器：
VN2＝VU1 (4)
Figure BDA0002782331650000083
由于是单电源供电，VN2＝VP2得到:
Figure BDA0002782331650000084
Figure BDA0002782331650000085
当VU1电压大于VN2+的时候，U2输出的PWM波形为低电平，在外部振动消失的情况下，该低电平连接至与门后通过驱动电路施加到开关管M上，开关管M关断，会使得电容C1和电感L同时向负载RL供电，导致电感电流IL下降，同时电容C两端的电压也会下降，则VU1下降。在VU1的电压值小于VN2-的时候，U2输出的PWM波为高电平，该高电平通过驱动电路施加到开关管M上时，会使得开关管M导通，电容C1给电感L充电，导致电感电流iL再次升高，同时电容C两端的电压也会升高，VU1上升，大于VN2+时再度进行以上循环。则U1的输出电压VU1被控制在VN2+到VN2-之间，同时电感的电流大小被控制在相应Vi所对应的电流值附近。
电容电压检测电路主要是为PWM波产生电路提供一个随着储能电容两端的电压变化的参考电位，其具体电路结构如图10所示。其中U3为单电源供电的运算放大器，VC1为电容C1两端的电压，V1可从电源经电阻分压获得。
由于前段电容C1所存储的能量有限，因此随着放电的进行，输入电压及储能电容C1两端的电压逐渐下降，即如图7所示的Ui扰动。为了保证输出电压的稳定则需要对储能电容上的电压进行检测来进行前馈控制，根据扰动的大小调节反馈环节的参数。
由能量关系可得：
Figure BDA0002782331650000091
由于能量收集电路的输出能量较小，Vi一般为几伏，同时电流IL较小同时线圈电阻较小，因此IL 2RL可忽略。即：
Figure BDA0002782331650000092
由式(2)得:
Figure BDA0002782331650000093
由式(3)以及滞环控制的原理得到：
Figure BDA0002782331650000094
由式(10)与式(11)得：
Figure BDA0002782331650000095
在迟滞比较器的环宽较小的情况下，(12)可简化为：
Figure BDA0002782331650000096
由(13)可看出，在电路接恒电阻负载且输出电压不变的情况下，参考电压Vref的值与输入电压即电容C1两端的电压呈反比关系。由于运算放大器达不到反比例计算的结果，为了进一步简化控制策略，同时考虑到输入电压过低达不到boost的升压效果，可以采用线性关系来近似代替反比关系来进行前馈控制。
图9所示的电容电压VC1与参考电压关系为：
Figure BDA0002782331650000101
切换电路用于外部振动存在与消失时候的电路切换。其具体电路结构如图11。其中运算放大器U4和U5均为单电源供电。电路切换的主要思路是用输出电压的升降来判断外部振动是否存在。当电路振动存在时，输出电压上升，此时关断控制电路的工作以及开关管M的控制。当外部振动消失时，输出电压下降，此时开控制电路的工作开关，使开关管M正常工作，调节PWM波的占空比用于boost电路的稳压调制。并且还要注意电路启动时外部振动存在但是输出电压较低的情况。
由图11可看出，切换电路的控制策略由两个运算放大器U4，U5以及两个与门U6，U7组合而成。其中VO表示的是电路的输出电压，V2和V3可用运算放大器电源分压得到，SD连接到运算放大器U1，U2，U3，U4，U5的使能端shutdown用来控制运算放大器的工作与否，pulse连接至驱动电路的输入端。其中运算放大器U5为简单的比较器，当输出电压大于V3时，输出低电平，当输出电压小于V3时，输出高电平。运算放大器U4构成一个迟滞比较器，其上下门限电压由下式计算得出：
Figure BDA0002782331650000102
由VN4＝VP4得
Figure BDA0002782331650000103
Figure BDA0002782331650000104
Figure BDA0002782331650000105
为了保证在启动时无误动作，应该满足VO-<V3<VO+。现在详细分析其工作过程，外部振动存在，电路启动时VO<V3，VO<VO-，因此U5输出高电位，U4输出低电位，此时SD处于低电位控制运算放大器和开关管S停止工作，此时电路处于倍压整流状态。随着启动进行输出电压VO<V3，VO>VO-，SD仍为低电位。接着出电压VO>V3，VO+<VO<VO-，SD仍为低电位。启动完毕后VO>V3，VO>VO+，因此U5输出低电位，U4输出高电位，SD仍为低电位。当外部振动消失时，图5(a)中电容C2率先对负载放电，随着放电的进行，VO逐渐降低，当VO<V3时，U5输出高电位，U4输出高电位，SD为高电位，则打开运算放大器和开关管S的工作，进行滞环控制来维持输出电压的稳定。
由以上分析可得，在外部振动消失的情况下，电路的输出电压稳定在V3附近，即外部振动消失时的输出电压要略小于振动存在时的输出电压。具体控制波形如图12所示。
驱动电路采用图腾柱驱动，具体电路结构如图13所示。
电能变换电路的整体工作波形如图14所示，从上至下分别是：线圈电压，储能电容电压，NMOS管栅极电压，PWM波产生电路的参考电压以及电路的输出电压。在0～t1时间段为外部振动存在时的波形图，t1～t2时间段为外部振动消失时的波形图，t2时刻储能电容完全放电，t2后外部振动再次产生。
本发明提供的电路可进行拓展，形成多级升压电路。具体结构图如图15所示。图中表示了n个电路模块的拓展技术。图中电容UCn＝nUC1，可实现2n倍压整流，并且具有一定的稳压能力，将n个模块的NMOS管栅极连接在一起，控制方式与上述单个模块的控制方式类似，可实现电路的持续性工作。
综上所述，本电路建立在振动能量收集和线圈具有一定的电感的前提下。通过boost电路和倍压整流电路的综合来实现电能的变换与处理。通过检测负载的电压大小来判断外部振动是否存在为依据，来控制电路工作的模式。从而使得外部振动消失的情况下，电路可持续供电。在boost电路中加入了PWM控制，使振动消失后负载的电压仍可保持一定的幅值。本发明所提出的能量收集电路中变换电路的新型拓扑结构具有结构简单，体积小，单极变换损耗小等特点，因此可以广泛应用在振动能量收集的场合，在微弱能量收集或大功率能量转换都可应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于能量收集系统的混合型升压电路，其特征在于，包括电能变换电路、控制电路与驱动电路；电能变换电路包括整流模块、储能模块、滤波模块与负载模块；控制电路包括线圈电流检测电路、PWM波产生电路、电容电压检测电路、切换电路；所述电能变换电路用于将收集的能量进行变换与处理，同时存储能量并对负载输出；所述控制电路为电能变换电路提供控制策略，减小负载的输出受外部环境的影响，保证负载的输出能够稳定；所述驱动电路由控制电路控制，并向电能变换电路提供驱动信号。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电能变换电路中的整流模块由线圈、一个储能电容、两个二极管、一个NMOS管、一个滤波电容构成，线圈和储能电容串联后与NMOS管并联，同时与第一二极管并联；并联时，第一二极管的正向导通方向与NMOS管寄生二极管的正向导通方向相同；前述电路再与第二二极管串联，第二二极管的阳极与第一二极管的阴极连接至同一点；前述电路再与滤波电容并联；所述储能模块由所述储能电容构成，所述滤波模块由滤波电容构成，所述负载模块并联在所述滤波电容的两端构成。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电能变换电路的线圈通过PCB板绕制而成。
4.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述线圈用作电能变换电路的电感以及外部能量收集的媒介。
5.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述储能电容用作储能元件。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述线圈电流检测电路由检测电阻与检测电容串联而成，检测电容与检测电阻串联并共同并联在电能变换电路的线圈两端。
7.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述PWM波产生电路由三个运算放大器构成，在外部振动消失的情况下，用于将线圈电流检测电路的检测电容上所得的线圈电流信号放大并与电容电压检测电路给定的参考电压值进行滞环控制，产生PWM波，经驱动电路输入至电能变换电路的NMOS管的栅极处。
8.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电容电压检测电路由一个运算放大器构成，在外部振动消失的时候检测储能电容的电压大小，给后续的PWM波产生电路提供基准电压，来对PWM波的占空比进行控制。
9.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述切换电路由两个运算放大器与两个与门构成，两个运算放大器分别构成电压比较器与迟滞比较器，通过比较输出电压与给定值的大小来控制运算放大器的工作以及NMOS管的工作情况。
10.一种基于权利要求1至9任一项所述的混合型升压电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
当外部振动出现时，电能变换电路由控制电路切换至倍压整流工作模式，驱动电路由控制电路控制停止输出，此时电能变换电路收集环境中的能量并对其进行升压以达到负载所需的电压值，同时对能量进行存储并输出；
当外部振动消失时，电能变换电路由控制电路切换至boost电路模式，驱动电路由控制电路控制启动输出，此时电能变换电路利用储能电容在振动存在时的储能电容作为电源，通过控制电路与驱动电路对电能变换电路进行稳压控制，保持负载电压仍然维持到负载所需电压值，使外部源消失的时候仍然可以保证输出的稳定。
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