CN112865273A - 一种道岔连接销振动能量收集电路、模块及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种道岔连接销振动能量收集电路、模块及系统，该电路包括电荷泵、升压控制电路、储能电路和电源管理电路，电荷泵连接升压控制电路，升压控制电路连接储能电路，升压控制电路连接电源管理电路，电源管理电路连接电荷泵，在振动能量收集电路的基础上增加振动发电机以及备用电源，为监测设备供电，其可以在较低的启动电流和启动电压工作，适应低振动幅值条件下的能量收集工况，采用分级式能量管理模式，可以在不同能量输入级别保持较高的工作效率，无需外部有源芯片和偏置电压，无需额外辅助电源。
Description
技术领域
本发明属于振动发电技术领域，具体涉及一种道岔连接销振动能量收集电路及系统。
背景技术
振动发电指一种利用电磁感应原理，把振动机械能转变为电能的方法，该方法一般基于振动发电机这个设备进行各种后续设计。
振动发电技术已经有些历史了，而人们也依然在开发更多这类能够将机械能转变成电能的工具。荷兰一家夜总会利用弹簧地板收集人们舞动时的能量并且将其转化为电能供应照明，已经成了新能源行业的一个经典案例，这是将较大幅度的振动转换为电能并且用于生活照明的实例。振动发电机是通过电磁感应来完成能量转换的。电磁感应则是通过将线圈放置在一个变化的磁场中产生，这个过程和大型发电厂的大型发电机类似。振动发电机可以做成纽扣电池一般大小，非常适合于在振动环境下为小型设备进行供电，其能源清洁，无需考虑充电问题，维护极少，可以一直服役到物理损坏位置而基本无需检修，是非常理想的小型供电装置。
在2007年，英国南安普顿大学的一个研究小组就已经开发出了如同方糖大小的振动发电机，并且试图将其用于工业领域的传感器上，例如煤矿、油田、化工厂或者其他类似恶劣环境下的监控设备等等。
现有技术中的振动发电过程都是针对较为强烈的振动环境，面对较为微弱的振动，往往做不到稳定高效的发电需求。
发明人在实际使用过程中发现，这些现有技术至少存在以下技术问题：
1.现有的全桥整流电路中的硅二极管的压降较高，单个二极管的压降约为0.6V左右，振动能量换能装置的原始电压形式类似于交流电压，有正负之分，在阻性负载下，启动电压和电流较高，不利于微弱振动能量的收集。而有源二极管电路中比较器的偏置电压依靠偏置电路提供，偏置电路的输出电压设置为0.7V左右，需要额外的系统电源供给。
2.对于压电振动能量提取电路，整个电路功能均由模拟电子元器件实现。模拟电路对温度漂移敏感，在环境恶劣的铁路道岔区的适用性存在挑战，且该电路中采用了变压器原边线圈和副边线圈，会大幅度降低电路的能量转换效率。压电式恒力弹簧或弯曲布置能量收集装置以转换直接压力产生的能量为主，不适用于以间接振动为主导的应用场景，如铁路道岔区连接销的振动能量收集。
3.现有的能量采集器将振动能转换为电能首先将电能储存在储能单元上。储能单元上电压增加，在未达到3.5V时，反馈电路无法产生反馈信号，开关电路关断，电源管理电路的输出为零。当储能单元上电压增长高于3.5V时，系统才开始工作。但铁路道岔连接销处的振动幅值小，振动能量转换电压幅值约为几百mV级别，不适应于铁路发电的需求。
4.现有的能量收集系统分别采用四种不同的集成芯片,对不同的能量源(太阳能、温度差、电磁能等)进行DC-DC能量转换，系统复杂且兼容性差。现有的微能量采集控制电路包括用于采集输出控制模块的输出端VOUT电压并反馈至控制器的输出采样模块，控制器根据输入采样模块和输出采样模块的输出电压获得微能量采集控制电路的最大功率点追踪，但单片机芯片本身是有源器件，需要外部电源供给，不能实现完全自主运行的需求。
发明内容
为克服上述存在之不足，本发明的发明人通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提出了一种道岔连接销振动能量收集电路及系统，其可以在较低的启动电流和启动电压工作，适应低振动幅值条件下的能量收集工况，采用分级式能量管理模式，可以在不同能量输入级别保持较高的工作效率，无需外部有源芯片和偏置电压，无需额外辅助电源，完全通过道岔连接销振动能量工作。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种道岔连接销振动能量收集电路，其包括电荷泵、升压控制电路、储能电路和电源管理电路，电荷泵连接升压控制电路，升压控制电路连接储能电路，升压控制电路连接电源管理电路，电源管理电路连接电荷泵。
根据本发明所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其进一步的优选技术方案是：电源管理电路还连接过压保护电路，过压保护电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，第一电阻串联第四电阻、第二电阻串联第五电阻、第三电阻串联第六电阻后再进行并联，第一运放的正极连接在第三电阻与第六电阻之间，第一运放的负极连接在第二电阻与第五电阻之间，第四运放的正极连接在第一电阻与第四电阻之间。
根据本发明所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其进一步的优选技术方案是：第一电阻和第四电阻的阻值之和需大于等于10兆欧；第二电阻和第五电阻的阻值之和需大于等于10兆欧；第三电阻和第六电阻的阻值之和需大于等于10兆欧。
根据本发明所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其进一步的优选技术方案是：过压保护电路在输入电压大于3.6V时切断电路。
根据本发明所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其进一步的优选技术方案是：所述电源管理电路包括第一控制器、第二控制器、第三控制器按、第四控制器，第一控制器连接升压控制模块，第一控制器进行开关控制，管控第一N型金氧半场效晶体管和第一P型金氧半场效晶体管的导通和关断；第二控制器连接第四电容与电荷泵，第二控制器进行最大功率点追踪控制，确保在轨道振动能量变化时系统均有最大的功率输出；第三控制器连接储能电路，第三控制器进行储能开关控制器；第四控制器连接升压控制电路与过压保护电路，第四控制器进行储能终端电压控制，根据所采用的储能器件的不同电压级别，设置储能终端电压。
根据本发明所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其进一步的优选技术方案是：所述升压控制电路包括第二到第五的N型金氧半场效晶体管，通过对第二到第五的N型金氧半场效晶体管的开关对整个电路工作模式进行切换，
在未接入备用电池时：第二N型金氧半场效晶体管和第三N型金氧半场效晶体管关断时，整个电路工作在异步升压模式；第二N型金氧半场效晶体管和第三N型金氧半场效晶体管打开时，整个电路工作在同步升压模式；
当接入备用电池时：第四N型金氧半场效晶体管和第五N型金氧半场效晶体管打开且第二N型金氧半场效晶体管和第三N型金氧半场效晶体管关断时，整个电路工作在异步升压模式；第四N型金氧半场效晶体管、第五N型金氧半场效晶体管和第二N型金氧半场效晶体管打开且第三N型金氧半场效晶体管关断时，整个电路工作在同步升压模式。
根据本发明所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其进一步的优选技术方案是：所述电荷泵的输入电压为380mV-2V，所述异步升压电路的输入电压为2V-2.4V，所述同步升压电路的输入电压为2.4V-3.6V。
根据本发明所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其进一步的优选技术方案是：所述储能电路包括第八电阻、第九电阻、第三电容和备用电池，第三电容作为储能器件经过第八电阻联入升压控制电路；备用电池连接到第二运放进而联入升压控制电路；第九电阻连接第三电容和外部充电接口，第九电阻作为上拉电阻，限制外部充电接口对第三电容进行外部充电时的电流。
一种道岔连接销振动能量收集模块，其包括电磁式振动发电机、能量收集电路、光伏备用电源，振动发电机连接能量收集电路，能量收集电路连接光伏备用电源；能量收集电路包括电荷泵、升压控制模块、储能模块和电源管理模块，电荷泵连接升压控制模块，升压控制模块连接储能模块，升压控制模块连接电源管理模块，电源管理模块连接电荷泵。
一种道岔连接销振动能量收集系统，其包括连接销本体以及振动能量发电模块，振动能量发电模块集成在连接销本体内部构成智能连接销，通过收集铁轨的振动能量为智能连接销内置的元件供电。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：
1、本发明启动电流和启动电压低，适合于低振动幅值条件下的能量收集工况，可以在极低启动电流(40微安)和启动电压(380毫伏)的环境能量收集电路，发电的振动幅度需求极大降低，实现在轻微震动环境下的高效发电，灵敏度大幅提升。
2、采用无源分级式能量管理方法，可在不同输入能量级别保持系统稳定工作及较高的工作效率。包括冷启动模式(输入电压为380mV至2V)；异步升压模式(输入电压为2V至2.4V)，同步升压模式(输入电压为2.4V至3.6V)，实现不同环境下的稳定工作，同时设置过压检测关断保护(输入电压大于3.6V)，保证电路安全。
3、本发明兼容直流(DC)和交流(AC)输入，适合轨道随机振动产生的交流输入电压和电流，同时可以采用太阳能等直流供电源作为备用电源。
4、无需外部有源芯片和偏置电压，无需额外辅助电源，完全通过转辙机连接销振动能量工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明一种道岔连接销振动能量收集电路的电路图。
图2是本发明一种道岔连接销振动能量收集模块的电路原理图。
图3是本发明一种道岔连接销振动能量收集系统的原理框图。
图4是本发明的振动能量收集系统的极低输入电流及储能模块充电电流的测试曲线。
图5是本发明的异步升压、同步升压分级式电源管理电路的测试曲线。
图中标记分别为：10.系统100.振动发电模块112.智能连接销114.动作杆116.转辙机118.铁路道岔1010、能量收集电路10010、电荷泵10020、升压控制模块10022.异步升压模块10024.同步升压模块10030、储能模块10040、过压保护模块10050、电源管理模块
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。
实施例1：
如图1所示，一种道岔连接销振动能量收集电路，其包括电荷泵10010、升压控制电路、储能电路和电源管理电路，电荷泵连接升压控制电路，升压控制电路连接储能电路，升压控制电路连接电源管理电路，电源管理电路连接电荷泵10010。
电源管理电路还连接过压保护电路，过压保护电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，第一电阻R1串联第四电阻R4、第二电阻R2串联第五电阻R5、第三电阻R3串联第六电阻R6后再进行并联，第一运放OP AMP1的正极连接在第三电阻R3与第六电阻R6之间，第一运放OP AMP1的负极连接在第二电阻R2与第五电阻R5之间，第四运放OP AMP4的正极连接在第一电阻R1与第四电阻R4之间。第一电阻R1和第四电阻R4的阻值之和需大于等于10兆欧；第二电阻R2和第五电阻R5的阻值之和需大于等于10兆欧；第三电阻R3和第六电阻R6的阻值之和需大于等于10兆欧。过压保护电路在输入电压大于3.6V时切断电路。
所述电源管理电路包括第一控制器CTRL1、第二控制器CTRL2、第三控制器CTRL2、第四控制器CTRL4，第一运放OP AMP1和第三运放OP AMP3，第十二电阻R12和第十三R13，第四电容C4，模拟地和功率地。第一运放OP AMP1和第三运放OP AMP3的输出连接至第三控制器CTRL3，进而联入升压控制电路。第一运放OP AMP1的输入端口分别连接至过压保护电路的并联电阻：第二电阻R2与第五电阻R5之间以及第三电阻R3与第六电阻R6之间。第一控制器CTRL1连接升压控制电路；第二控制器CTRL2连接第四电容C4与电荷泵10010。
具体连接为：第一控制器CTRL1进行开关控制，管控第一N型金氧半场效晶体管N1和第一P型金氧半场效晶体管P1的导通和关断，第一控制器CTRL1连接第七电阻R7、模拟地、第一N型金氧半场效晶体管N1和第一P型金氧半场效晶体管P1；第二控制器CTRL2进行最大功率点追踪控制，确保在轨道振动能量变化时系统均有最大的功率输出，第二控制器CTRL2连接第四电容C4、第十电阻R10和第十一电阻R11；第三控制器CTRL3为储能开关控制器，管控第二N型金氧半场效晶体管N2的导通和关断，第三控制器CTRL3连接第一运放OP AMP1、第三运放OP AMP3和第二N型金氧半场效晶体管N2；第四控制器CTRL4为储能终端电压控制，其作用是根据所采用的储能器件(超级电容或蓄电池)的不同电压级别，设置储能终端电压，第四控制器CTRL4连接第一运放OP AMP1、第三运放OP AMP3、第四运放OP AMP4、第三电阻R3和第六电阻R6。第十二电阻R12连接第三运放OP AMP3的输入端口和模拟地，第十三电阻R13连接第三运放OP AMP3的输入端口和第三电容C3，第三电容C3作为储能器件。储能器件可以为超级电容或蓄电池。
所述升压控制电路包括第一到第五的N型金氧半场效晶体管、第一P型金氧半场效晶体管,第五到第十的二极管、第二功率电感L2、第二运放OP AMP2,第一反相器NOT1，第一缓冲器BUFFER1,第一电容C1和第二电容C2；第一N型金氧半场效晶体管N1的栅极连接第一控制器，第一N型金氧半场效晶体管N1的源极连接第五二极管D5的阴极、第八二极管D8的阳极、第三N型金氧半场效晶体管N3的漏极、第七二极管D7的阳极和第二N型金氧半场效晶体管N2的漏极，第一N型金氧半场效晶体管N1的漏极连接第一功率电感L1、第二功率电感L2和第五二极管D5的阳极。第一P型金氧半场效晶体管P1的栅极连接第一控制器，晶体管P1的源极连接二极管D5的阳极和功率地，晶体管P1的漏极连接二极管D5的阴极和功率电感L2。第二N型金氧半场效晶体管N2的栅极连接第二控制器2，第二N型金氧半场效晶体管N2的漏极连接第七二极管D7的阳极、第一N型金氧半场效晶体管N1的源极和第三N型金氧半场效晶体管N3的漏极，第二N型金氧半场效晶体管N2的源极连接第二运放OP AMP2的输入端和第八电阻R8。第二运放OP AMP2的输出端连接反相器NOT1和第一缓冲器BUFFER1。第三N型金氧半场效晶体管N3的栅极连接第一缓冲器BUFFER1，第三N型金氧半场效晶体管N3的漏极连接第二N型金氧半场效晶体管N2的漏极、第一N型金氧半场效晶体管N1的源极和第八二极管D8的阳极，第三N型金氧半场效晶体管N3的源极连接第八二极管D8、第九二极管D9的阴极、第一电容C1、第二电容C2和第四N型金氧半场效晶体管N4的源极。第四N型金氧半场效晶体管N4的栅极连接反相器NOT1和晶体管N5的栅极，第四N型金氧半场效晶体管N4的源极连接第八二极管D8、第九二极管D9的阴极和第三N型金氧半场效晶体管N3的源极，第四N型金氧半场效晶体管N4的漏极连接第九二极管D9、第十二极管D10的阳极和第五N型金氧半场效晶体管N5的漏极。第五N型金氧半场效晶体管N5的栅极连接反相器NOT1和第四N型金氧半场效晶体管N4的栅极，第五N型金氧半场效晶体管N5的漏极连接第九二极管D9、第十二极管D10的阳极和第四N型金氧半场效晶体管N4的漏极，第五N型金氧半场效晶体管N5的源极连接第二运放OP AMP2的输入端和备用电池B1的正极。
在未接入备用电池B1时，第二N型金氧半场效晶体管N2和第三N型金氧半场效晶体管N3关断时，整个电路工作在异步升压模式；第二N型金氧半场效晶体管N2和第三N型金氧半场效晶体管N3打开时，整个电路工作在同步升压模式。当接入备用电池B1时，第四N型金氧半场效晶体管N4和第五N型金氧半场效晶体管N5打开且第二N型金氧半场效晶体管N2和第三N型金氧半场效晶体管N3关断时，整个电路工作在异步升压模式；第四N型金氧半场效晶体管N4、第五N型金氧半场效晶体管N5和第二N型金氧半场效晶体管N2打开且第三N型金氧半场效晶体管N3关断时，整个电路工作在同步升压模式。
所述电荷泵10010的输入电压为380mV-2V，所述异步升压电路的输入电压为2V-2.4V，所述同步升压电路的输入电压为2.4V-3.6V。
所述储能电路包括第八电阻R8、第九电阻R9、第三电容C3和备用电池B1，第三电容C3经过第八电阻R8联入升压控制电路；备用电池连接到第二运放进而联入升压控制电路。
图3为道岔连接销振动能量收集电路系统框图，其包括连接销本体以及振动能量发电模块，振动能量发电模块集成在智能连接销内部，通过收集铁轨的振动能量为智能连接销内置的传感器等元件供电。系统10组成包括振动发电模块100，智能连接销112，动作杆114，转辙机116和铁路道岔118。作业时，转辙机116操纵动作杆114搬动铁路道岔118，为监测动作杆拉力，智能连接销114安装固定在动作杆114的销孔上，振动发电模块100集成于智能连接销114上，通过收集铁轨的振动能量为智能连接销114内置元件供电，此处的元件是指插销内部所有耗能模块及零件，列如传感器等。
如图2所示，一种道岔连接销振动能量收集模块，其包括能量收集电路1010，电磁式振动发电机1020和光伏备用电源1030，振动发电机连接能量收集电路，能量收集电路连接光伏备用电源；能量收集电路包括电荷泵10010、升压控制模块10020、储能模块10030和电源管理模块10050，电荷泵连接升压控制模块，升压控制模块连接储能模块，升压控制模块连接电源管理模块，电源管理模块连接电荷泵，升压控制模块包括异步升压模块10020，同步升压模块10030。所述各个模块与电路为对应关系。
电荷泵10010包括第七电容C7、第八电容C8、第一三位开关SW1、第二三位开关SW2、第三单刀双掷开关SW3和第一功率电感L1。AC电源经过第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，或DC电源直接进入电荷泵10010，在此，两个及两个以上的电容器如第七电容C7、第八电容C8同时并联充电至相同电压。然后切断电源，将电容器串联。该输出取自两个及以上串联的电容器，导致输出电压被泵高，经过第一功率电感L1进入升压控制模块10020。
升压控制模块10020包括第一N型金氧半场效晶体管N1,第一P型金氧半场效晶体管P1,第五二极管D5、第六二极管D6，第二功率电感L2,第二N型金氧半场效晶体管N2,第七二极管D7,第三控制器CTRL3,第三N型金氧半场效晶体管N3、第四N型金氧半场效晶体管N4、第五N型金氧半场效晶体管N5，第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10,第二运放OPAMP2,第一反相器NOT1，第一缓冲器BUFFER1,第一电容C1和第二电容C2。
第一N型金氧半场效晶体管N1的栅极连接第一控制器，第一N型金氧半场效晶体管N1的源极连接第五二极管D5的阴极、第八二极管D8的阳极、第三N型金氧半场效晶体管N3的漏极、第七二极管D7的阳极和第二N型金氧半场效晶体管N2的漏极，第一N型金氧半场效晶体管N1的漏极连接第一功率电感L1、第二功率电感L2和第五二极管D5的阳极。第一P型金氧半场效晶体管P1的栅极连接第一控制器，晶体管P1的源极连接二极管D5的阳极和功率地，晶体管P1的漏极连接二极管D5的阴极和功率电感L2。第二N型金氧半场效晶体管N2的栅极连接第二控制器2，第二N型金氧半场效晶体管N2的漏极连接第七二极管D7的阳极、第一N型金氧半场效晶体管N1的源极和第三N型金氧半场效晶体管N3的漏极，第二N型金氧半场效晶体管N2的源极连接第二运放OP AMP2的输入端和第八电阻R8。第二运放OP AMP2的输出端连接反相器NOT1和第一缓冲器BUFFER1。第三N型金氧半场效晶体管N3的栅极连接第一缓冲器BUFFER1，第三N型金氧半场效晶体管N3的漏极连接第二N型金氧半场效晶体管N2的漏极、第一N型金氧半场效晶体管N1的源极和第八二极管D8的阳极，第三N型金氧半场效晶体管N3的源极连接第八二极管D8、第九二极管D9的阴极、第一电容C1、第二电容C2和第四N型金氧半场效晶体管N4的源极。第四N型金氧半场效晶体管N4的栅极连接反相器NOT1和晶体管N5的栅极，第四N型金氧半场效晶体管N4的源极连接第八二极管D8、第九二极管D9的阴极和第三N型金氧半场效晶体管N3的源极，第四N型金氧半场效晶体管N4的漏极连接第九二极管D9、第十二极管D10的阳极和第五N型金氧半场效晶体管N5的漏极。第五N型金氧半场效晶体管N5的栅极连接反相器NOT1和第四N型金氧半场效晶体管N4的栅极，第五N型金氧半场效晶体管N5的漏极连接第九二极管D9、第十二极管D10的阳极和第四N型金氧半场效晶体管N4的漏极，第五N型金氧半场效晶体管N5的源极连接第二运放OP AMP2的输入端和备用电池B1的正极。
在未接入备用电池B1时，第二N型金氧半场效晶体管N2和第三N型金氧半场效晶体管N3关断时，整个电路工作在异步升压模式；第二N型金氧半场效晶体管N2和第三N型金氧半场效晶体管N3打开时，整个电路工作在同步升压模式。当接入备用电池B1时，第四N型金氧半场效晶体管N4和第五N型金氧半场效晶体管N5打开且第二N型金氧半场效晶体管N2和第三N型金氧半场效晶体管N3关断时，整个电路工作在异步升压模式；第四N型金氧半场效晶体管N4、第五N型金氧半场效晶体管N5和第二N型金氧半场效晶体管N2打开且第三N型金氧半场效晶体管N3关断时，整个电路工作在同步升压模式。
如图1所示，升压控制模块10020内部设置有异步升压模块10022和同步升压模块10024，用于实现异步升压与同步升压的控制。
储能模块10030包括第八电阻R8,第九电阻R9，第三电容C3和备用电池B1。第三电容C3经过第八电阻R8联入升压控制模块10020；备用电池B1连接到第二运放OP AMP2，进而联入升压控制模块10020。
过压保护模块10040包括电阻第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6。第一电阻R1和第四R4的阻值之和需大于等于10兆欧；第二电阻R2和第五R5的阻值之和需大于等于10兆欧；第三电阻R3和第六R6的阻值之和需大于等于10兆欧。
电源管理模块10050包括第一控制器CTRL1、第二控制器CTRL2、第四控制器CTRL4，第一运放OP AMP1和第三运放OP AMP3，第十二电阻R12和第十三R13，第四电容C4，模拟地和功率地。第一运放OP AMP1和第三运放OP AMP3的输出连接至第三控制器CTRL3，进而联入升压控制模块10020。第一运放OP AMP1的输入端口分别连接至过压保护模块10040的并联电阻第二电阻R2与第五电阻R5之间以及第三电阻R3与第六电阻R6之间。
图1为连接销振动能量收集电路的电路原理图。电路系统支持直流(DC)电源和交流(AC)电源，采用D1-D4四个肖特基势垒二极管用作交流电源的整流器。电路具有冷启动、异步升压和同步升压的分级式能量管理模式。功率电感器L1连接到升压调节器的开关节点(SW)。4.7μF第六电容器C6连接在输入电源(VIN)和电源地之间。4.7μF第二电容器C2连接在输出电源(SYS)和电源地之间。将第三电容器C3作为SYS输出电源的存储设备放置到BAT端。可以采用一个可选的备用输入电源，将其连接到引脚12。第四电容器C4连接在电容器旁路端口(CBP)和模拟地之间。它采样并保持最大功率点电平。一个20KΩ的第四电阻器R4放置在引脚4上，以设置最小工作(MINOP)输入电压电平。CBP电压超过MINOP电压后，升压调节器开始切换。引脚5指示最大功率点跟踪(MPPT)电压，该引脚设置不同能量源的最大功率点跟踪电平。
图4示出了振动能量收集系统的极低输入电流及储能模块充电电流的测试曲线。在输入电流约为180μA时，在5ms内电路的储能模块有五个充电周期。在输入电流约为80μA时，在5ms的时间内进行了三个充电周期。当输入电流降低到40μA时，在5ms的时间内有一个充电周期。但是，单个周期内流向储能模块的充电电流幅值和持续间保持不变，表明所述电路系统能够有效收集低至40μA的微弱电流。
图5示出了异步升压、同步升压分级式电源管理电路的测试曲线。所述电路系统具有三条电源路径。当系统输入电压(Vin)大于电压启动阈值(0.38V)且小于冷启动终止阈值时，系统为冷启动模式。当输出电压(Vout)大于冷启动终止阈值且第三电容器电压(Vsc)小于关断放电电压(VSD，设置为2.4V)时，升压调节器操作将SYS和BAT开关关闭，系统工作在异步升压模式，如图5a-c所示。当输出电压(Vout)和第三电容器电压(Vsc)大于VSD，但小于存储过充电阈值(VTERM，设置为3.6V)时，升压调节器操作会打开SYS和BAT开关，以使能同步升压模式，如图5d-f所示。具有外部电感器的开关模式同步升压调节器以脉冲频率模式(PFM)工作，将存储在输入电容器中的能量转移到系统负载(SYS)和能量存储单元(如第三电容器或可充电电池等)。为了在较宽的输入功率范围内保持稳压器的高效率，内部颤振峰值电流限制用于控制外部电感器电流。
道岔连接销振动能量收集电路可采用硬质电路板制作，也可采用柔性软板制作便于弯曲，以适配不同安装空间要求的铁路道岔区间应用场合，该电路板的长度可以做到72mm，宽度36mm、厚度0.17mm。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种道岔连接销振动能量收集电路，其特征在于，其包括电荷泵、升压控制电路、储能电路和电源管理电路，电荷泵连接升压控制电路，升压控制电路连接储能电路，升压控制电路连接电源管理电路，电源管理电路连接电荷泵。
2.根据权利要求1所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其特征在于，电源管理电路还连接过压保护电路，过压保护电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，第一电阻串联第四电阻、第二电阻串联第五电阻、第三电阻串联第六电阻后再进行并联，第一运放的正极连接在第三电阻与第六电阻之间，第一运放的负极连接在第二电阻与第五电阻之间，第四运放的正极连接在第一电阻与第四电阻之间。
3.根据权利要求2所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其特征在于，第一电阻和第四电阻的阻值之和需大于等于10兆欧；第二电阻和第五电阻的阻值之和需大于等于10兆欧；第三电阻和第六电阻的阻值之和需大于等于10兆欧。
4.根据权利要求2或3所述的一种道岔连接销振动能量收集系统，其特征在于，过压保护电路在输入电压大于3.6V时切断电路。
5.根据权利要求1所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其特征在于，所述电源管理电路包括第一控制器、第二控制器、第三控制器按、第四控制器，第一控制器连接升压控制模块，第一控制器进行开关控制，管控第一N型金氧半场效晶体管和第一P型金氧半场效晶体管的导通和关断；第二控制器连接第四电容与电荷泵，第二控制器进行最大功率点追踪控制，确保在轨道振动能量变化时系统均有最大的功率输出；第三控制器连接储能电路，第三控制器进行储能开关控制器；第四控制器连接升压控制电路与过压保护电路，第四控制器进行储能终端电压控制，根据所采用的储能器件的不同电压级别，设置储能终端电压。
6.根据权利要求1所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其特征在于，所述升压控制电路包括第二到第五的N型金氧半场效晶体管，通过对第二到第五的N型金氧半场效晶体管的开关对整个电路工作模式进行切换，
在未接入备用电池时：第二N型金氧半场效晶体管和第三N型金氧半场效晶体管关断时，整个电路工作在异步升压模式；第二N型金氧半场效晶体管和第三N型金氧半场效晶体管打开时，整个电路工作在同步升压模式；
当接入备用电池时：第四N型金氧半场效晶体管和第五N型金氧半场效晶体管打开且第二N型金氧半场效晶体管和第三N型金氧半场效晶体管关断时，整个电路工作在异步升压模式；第四N型金氧半场效晶体管、第五N型金氧半场效晶体管和第二N型金氧半场效晶体管打开且第三N型金氧半场效晶体管关断时，整个电路工作在同步升压模式。
7.根据权利要求1所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其特征在于，所述电荷泵的输入电压为380mV-2V，所述异步升压电路的输入电压为2V-2.4V，所述同步升压电路的输入电压为2.4V-3.6V。
8.根据权利要求1所述的一种道岔连接销振动能量收集电路，其特征在于，所述储能电路包括第八电阻、第九电阻、第三电容和备用电池，第三电容作为储能器件经过第八电阻联入升压控制电路；备用电池连接到第二运放进而联入升压控制电路；第九电阻连接第三电容和外部充电接口，第九电阻作为上拉电阻，限制外部充电接口对第三电容进行外部充电时的电流。
9.一种道岔连接销振动能量收集模块，其特征在于，其包括电磁式振动发电机、能量收集电路、光伏备用电源，振动发电机连接能量收集电路，能量收集电路连接光伏备用电源；能量收集电路包括电荷泵、升压控制模块、储能模块和电源管理模块，电荷泵连接升压控制模块，升压控制模块连接储能模块，升压控制模块连接电源管理模块，电源管理模块连接电荷泵。
10.一种道岔连接销振动能量收集系统，其特征在于，其包括连接销本体以及振动能量发电模块，振动能量发电模块集成在连接销本体内部构成智能连接销，通过收集铁轨的振动能量为智能连接销内置的元件供电。
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