CN113824310A - 用于机械能量的采集-管理单级融合电路及其控制方法 - Google Patents

用于机械能量的采集-管理单级融合电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于机械能的采集‑管理单级融合电路及其控制方法，电路包括一个交流‑直流(AC‑DC)全桥整流电路、一个单电感‑多输出升压‑降压DC‑DC开关变换器，和一个控制器。AC‑DC全桥整流电路将输入的交流电压变为直流电压，单电感‑多输出升压‑降压DC‑DC开关变换器将全桥整流电路输出的直流电压传输至负载端。控制器产生方波信号，用于控制单电感‑多输出升压‑降压DC‑DC开关变换器中的开关，以实现对机械能量采集器的最大功率点跟踪和稳定多路输出电压的双重功能。本发明通过一个单级电路同时实现能量采集和电源管理的功能，简化电路结构、降低电路的功耗和体积，可以有效提高能量采集效率。

Description

用于机械能量的采集-管理单级融合电路及其控制方法
技术领域
本发明属于能量采集领域，涉及应用于机械能采集的电能管理电路，特别涉及一种用于机械能量的采集-管理单级融合电路及其控制方法。
背景技术
随着智能化物联网时代到来，物联网的规模和功能不断扩大，无线传感节点的数量急剧增加，放置的区域和环境更加广泛和复杂，对无线传感节点更换电池变得极为困难。为了解决无线传感器的供电问题，将机械能转换为电能供电的能量采集技术近年来受到学术界和产业界的广泛关注。
目前利用能量采集技术为无线传感节点供电的系统包括能量采集器和电源管理电路，如图1所示。能量采集器用于转化环境能量为电能，能量采集电路用于获取能量采集器最大的电能并高效为储能器件充电，而电源管理电路用于输出符合无线传感节点需求的稳定供电电压。如2018年，韩国首尔大学的Minbok Lee等人在IEEE Transactions onCircuits and Systems I:Regular Papers上发表论文，Design and Analysis ofEnergy-Efficient Single-Pulse Piezoelectric Energy Harvester and PowerManagement IC for Battery-Free Wireless Remote Switch Applications提出了一种采用DC-DC开关电容变换器和降压型DC-DC开关变换器两级级联的能量采集和电源管理方案。其中第一级的能量采集电路采用6:1DC-DC开关电容变换器实现最大功率点跟踪；第二级的电源管理电路利用脉冲周期调制方法控制DC-DC开关变换器实现稳定输出电压。然而，对于这种传统的能量采集与电源管理级联电路结构，由于电路结构复杂，其自身消耗的能量较大，导致能量采集系统整体的效率较低。
发明内容
要解决的技术问题
现有采用两个电路即能量采集电路和电源管理电路级联的方式，带来电路体积大、电感多、开关管复用率低的问题，导致电路集成度低、功耗大、难以实现供电模块的小型化，无法满足物联网的发展需求。
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种应用于机械能量的采集-管理单级融合电路及其控制方法。
技术方案
一种用于机械能量的采集-管理单级融合电路，其特征在于包括AC-DC全桥整流电路、单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器和控制器；所述的AC-DC全桥整流电路将机械能量采集器输出的交流电压变为直流电压；所述的单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器将全桥整流电路输出的直流电压传输至负载端；所述的控制器包括最大功率点跟踪电路和稳压控制电路，产生用于控制单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器中的开关的方波信号，实现对机械能量采集器的最大功率点跟踪和稳定负载端电压的双重功能。
本发明进一步的技术方案：所述的单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的开关分为两组，输入开关组S1和S2，及输出开关Sout1、Sout2和Sstore，其中Sout1、Sout2为连接负载的开关，Sstore为连接储能器件的开关；输入开关组S1和S2的控制信号相同，由控制器中的最大功率点跟踪电路输出其控制信号；输出开关组需要3个控制信号，分别由控制器中的稳压控制电路输出控制。
一种用于机械能量的采集-管理单级融合电路的控制方法，其特征在于：当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压从0升到二分之一的开路电压之前，控制器输出为0，输入开关组和输出开关组均关断；当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压升到二分之一的开路电压时，最大功率点跟踪电路输出方波VS12控制输入开关组的通断，此时稳压控制电路输出3路控制信号VSout1，VSout1和VSstore分别控制输出开关组为负载传输电能；当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压从二分之一的开路电压下降到达三分之一开路电压时，控制器输出为0，输入开关组和输出开关组完全关断；如此循环，最大功率点跟踪电路通过输出方波VS12控制输入开关组，使单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压保持在二分之一和三分之一的开路电压之间，以实现最大功率点跟踪。
本发明进一步的技术方案：所述的输出方波VS12的周期和占空比满足公式：
Figure BDA0003235251740000031
其中，Rin，buck-boost等于能量采集器的内部阻值，L为变换器的电感值，D′和T为VS12的占空比和周期。
一种用于机械能量的采集-管理单级融合电路的控制方法，其特征在于：当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压保持在二分之一和三分之一的开路电压之间时，稳压控制电路开始工作，其余时间稳压控制电路输出为0，输出开关组全部关断；稳压控制开始工作时，稳压控制开关的顺序是：Sout1导通，Sout2和Sstore关断，先为第一路负载供电；直到第一路负载达到要求的目标电压时，Sout2导通，Sout1和Sstore关断，切换至第二路负载供电；当第二路负载达到要求的目标电压时，再判断第一路负载是否需要充电，如果第一路低于其目标电压，则Sout1导通，Sout2和Sstore关断，再为第一路负载供电，如果第一路和第二路都达到目标电压，则Sstore导通，Sout2和Sout1关断，将剩余的电量存储在储能器件中；如此循环，直至每一路负载的供电电压都等于其目标电压。
有益效果
由于能量采集电路和电源管理电路都可以采用DC-DC开关变换器结构实现，因此，本发明提出将二者的功能用单级开关电路实现，即形成采集-管理单级融合电路，将显著减小能量采集与电源管理电路的功耗、面积、体积和成本，有利于实现高采集效率、高功率密度、低成本和小巧轻便的环境能量采集自供电系统。
本发明提出的一种应用于机械能量的采集-管理单级融合电路及其控制方法，采用单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器，即两个电路共用1套DC-DC电路，将开关管模块化分组，通过控制输入开关组跟踪寻找最大功率点，通过控制输出开关组稳定输出电压。
本发明将能量采集和电源管理的功能用一个单电感多输出的开关电路实现，降低了功率电路的体积和复杂度，电路功耗显著降低。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为传统的能量采集系统结构图；
图2为本发明提出的应用于机械能量的采集-管理单级融合电路的框图；
图3为本发明提出的应用于机械能量的采集-管理单级融合电路的时序图；
图4为本发明提出的应用于机械能量的采集-管理单级融合电路的仿真波形。
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，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面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未构成冲突就可以相互组合。
如图2所示，本发明提出的一种应用于机械能的采集-管理单级融合电路，包括AC-DC全桥整流电路、单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器和控制器。AC-DC全桥整流电路将机械能量采集器输出的交流电压变为直流电压，单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器将全桥整流电路输出的直流电压传输至负载端。控制器产生方波信号，用于控制单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器中的开关，实现对机械能量采集器的最大功率点跟踪和稳定负载端电压的双重功能。
单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的开关分为两组，输入开关组S1和S2，及输出开关Sout1，Sout2和Sstore，其中Sout1，Sout2为连接负载的开关，Sstore为连接储能器件的开关。输入开关组S1和S2的控制信号相同，由控制器中的最大功率点跟踪电路输出其控制信号；输出开关组需要3个控制信号，分别由控制器中的稳压控制电路输出控制。
单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的元器件的连接关系为：开关S1的一端连接全桥滤波器的输出Vrec，另一端连接二极管D的负端和电感L，二极管D正端接地，电感L另一端接开关S2和Sout1、Sout2、Sstore。开关S2另一端接地，开关Sout1控制第一路输出，连接电容Co1和Ro2；开关Sout2控制第二路输出，连接电容Co2和Ro2；开关Sstore控制第三路输出，连接电容Cstore。其中开关S1、S2、电感L组成充电回路，续流二极管D、电感L、开关Sout1、Sout2和Sstore组成放电回路。控制信号VS12控制开关S1、S2的通断，控制信号VSout1控制开关Sout1的通断，控制信号VSout2控制开关Sout2的通断，控制信号VSstore控制开关Sstore的通断。
最大功率点跟踪电路利用开路电压法，即单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压等于开路电压的二分之一时，机械能量采集器输出最大功率。控制算法的思路是：当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压Vrec从0升到二分之一的开路电压之前，最大功率点跟踪电路输出为0，输入开关组完全截止；当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压升到二分之一的开路电压时，最大功率点跟踪电路输出固定周期的方波VS12控制输入开关组的通断。当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压从二分之一的开路电压下降到达三分之一开路电压时，最大功率点跟踪电路输出为0，输入开关组完全截止。如此循环，最大功率点跟踪电路控制单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压保持在二分之一和三分之一的开路电压之间，以实现最大功率点跟踪。其中开路电压为没有连接电路时的电压，由能量采集器输入。
由于单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的等效输入电阻与能量采集器的电阻相同，电能可以实现最大能量的采集和传输。变换器的等效输入电阻为：
Figure BDA0003235251740000061
其中，L为变换器的电感值，D′和T为VS12的占空比和周期。当Rin，buck-boost等于能量采集器的电阻，L等于1mH，VS12的占空比和周期即可确定。
稳压控制电路控制算法的核心是：当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压保持在二分之一和三分之一的开路电压之间时，稳压控制电路开始工作，其余时间稳压控制电路输出为0，输出开关组全部截止。稳压控制算法的时序是：先为第一路负载供电，当第一路达到目标电压时，切换至第二路负载供电，当第二路达到目标电压时，切回第一路，如果第一路和第二路都达到目标电压，则将剩余的电量存储在储能器件中。如此循环，直至每一路负载的供电电压都等于其目标电压。
控制器包括最大功率点跟踪电路和稳压控制电路，稳压控制电路通过比较器实现，在每一路输出都有一个迟滞比较器，将输出电压反馈至迟滞比较器的反相输入端，与该路目标电压进行比较。通过利用迟滞比较器具有两个阈值电压的特性Vth1和Vth2(Vth1<Vth2)。初始时刻，输出电压小于目标电压，迟滞比较器输出为高电平，为该路负载充电，当输出电压逐渐上升，直至大于Vth2时，迟滞比较器翻转为低电平，将该路的开关断开，切换至下一路充电。当该路输出电压逐渐降低，直至小于Vth1时，迟滞比较器翻转为高电平，再按照稳压顺序，开启该路开关。因此，输出电压在Vth1和Vth2之间波动，输出电压纹波为Vth2-Vth1，以此实现稳压。
本发明的工作时序图如图3所示，它的工作过程是：当有机械能输入，能量采集器产生AC电能，经过全桥整流器，变为DC电能，存储在大电容Crec中，Crec后连接单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器。大电容Crec中的电压Vrec小于外部输入的开路电压Voc的一半时，最大功率点跟踪电路输出VS12为0，输入开关组截止，输出开关组也截止。当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压上升到二分之一的Voc时，VS12为固定的方波，输入开关组S1和S2按VS12的输出导通或关断，此时第一路输出开关Sout1打开，为第一路负载充电，当输出电压Vout1大于第一路的目标电压Vref1时，稳压控制电路控制Sout1截止，将第二路输出开关Sout2打开；当输出电压Vout2大于第二路的目标电压Vref2时，稳压控制电路控制Sout2截止，将第三路输出开关Sstore打开，用剩余的电量为储能器件充电，直到单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压升到三分之一的开路电压，VS12为0，所有开关管截止。
采集-管理单级融合电路的功率满足关系：
Pin＝P1+P2+Pstore+Ploss
即采集-管理单级融合电路的输入功率等于每一路的输出功率加上电路损耗的功率。
能采集-管理单级融合电路的仿真波形，如图4所示。第一路的目标电压Vref1设置为1V，第二路的目标电压Vref2设置为1.8V，第三路的储能器件为一个100uF的电容(为看清楚图中的充电纹波，故选择较小的电容)。依次为VS12信号、Sout1的开关控制信号VSout1、Sout2的开关控制信号VSout2、Sstore的开关控制信号VSstore、Vout1、Vout2和Vstore。从图中可以看出，第一路和第二路可以实现1V和1.8V的稳压功能，输出电压纹波在100mV左右。第三路的储能器件的电压，随充电过程上升，1.5s的时候充满。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于机械能量的采集-管理单级融合电路，其特征在于包括AC-DC全桥整流电路、单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器和控制器；所述的AC-DC全桥整流电路将机械能量采集器输出的交流电压变为直流电压；所述的单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器将全桥整流电路输出的直流电压传输至负载端；所述的控制器包括最大功率点跟踪电路和稳压控制电路，产生用于控制单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器中的开关的方波信号，实现对机械能量采集器的最大功率点跟踪和稳定负载端电压的双重功能。
2.根据权利要求1所述的一种用于机械能量的采集-管理单级融合电路，其特征在于所述的单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的开关分为两组，输入开关组S1和S2，及输出开关Sout1、Sout2和Sstore，其中Sout1、Sout2为连接负载的开关，Sstore为连接储能器件的开关；输入开关组S1和S2的控制信号相同，由控制器中的最大功率点跟踪电路输出其控制信号；输出开关组需要3个控制信号，分别由控制器中的稳压控制电路输出控制。
3.一种权利要求2所述的用于机械能量的采集-管理单级融合电路的控制方法，其特征在于：当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压从0升到二分之一的开路电压之前，控制器输出为0，输入开关组和输出开关组均关断；当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压升到二分之一的开路电压时，最大功率点跟踪电路输出方波VS12控制输入开关组的通断，此时稳压控制电路输出3路控制信号VSout1，VSout1和VSstore分别控制输出开关组为负载传输电能；当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压从二分之一的开路电压下降到达三分之一开路电压时，控制器输出为0，输入开关组和输出开关组完全关断；如此循环，最大功率点跟踪电路通过输出方波VS12控制输入开关组，使单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压保持在二分之一和三分之一的开路电压之间，以实现最大功率点跟踪。
4.根据权利要求3所述的用于机械能量的采集-管理单级融合电路的控制方法，其特征在于所述的输出方波VS12的周期和占空比满足公式：
Figure FDA0003235251730000021
其中，Rin，buck-boost等于能量采集器的内部阻值，L为变换器的电感值，D′和T为VS12的占空比和周期。
5.一种权利要求2所述的用于机械能量的采集-管理单级融合电路的控制方法，其特征在于：当单电感-多输出升压-降压DC-DC开关变换器的输入电压保持在二分之一和三分之一的开路电压之间时，稳压控制电路开始工作，其余时间稳压控制电路输出为0，输出开关组全部关断；稳压控制开始工作时，稳压控制开关的顺序是：Sout1导通，Sout2和Sstore关断，先为第一路负载供电；直到第一路负载达到要求的目标电压时，Sout2导通，Sout1和Sstore关断，切换至第二路负载供电；当第二路负载达到要求的目标电压时，再判断第一路负载是否需要充电，如果第一路低于其目标电压，则Sout1导通，Sout2和Sstore关断，再为第一路负载供电，如果第一路和第二路都达到目标电压，则Sstore导通，Sout2和Sout1关断，将剩余的电量存储在储能器件中；如此循环，直至每一路负载的供电电压都等于其目标电压。
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