CN114094686A - 一种微能量采集电路、采集装置及供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微能量供电技术领域，具体而言，涉及一种微能量采集电路、采集装置及供电方法。本发明的微能量采集装置，设置电解电容和超级电容以及电池，通过检测及逻辑控制，微能量电源所转化的电能首先向电解电容充电，当电解电容可以对外提供电能时转向超级电容充电。电解电容向外提供电能后电压下降，会及时转换为向电解电容补充充电。当微能量电源停止转化电能时，系统切换到超级电容对外供电。当电解电容和超级电容均电量放完时，系统切换到电池供电。只要微能量电源有电能转化，采集装置会优先切换回电解电容对外提供电能。本发明在提高微能采集整体效率的同时少用甚至不用备用电池，使备用电池基本处于自放电状态。

Description

一种微能量采集电路、采集装置及供电方法

技术领域

本发明涉及微能量供电技术领域，具体而言，涉及一种微能量采集电路、采集装置及供电方法。

背景技术

无论是工业场合还是生活场合，传感器、控制开关等都是必不可少的基础器件。无论是电源供给还是信号传输，通常都需要导线进行连接。信号传输可以采用无线方式，不需要导线连接，但电源供给通常还是需要铺设导线。为了解决电源供应问题，也可以采用电池供电，但是一般的电池容量有限，电池电量耗尽后需要定期更换电池或对电池进行充电。环境中的光、热、无线电波、震动等在一定条件下都可以转化为电能。环境中的光、热、无线电波、震动等转化为电能时功率较小，需对转化出的电能进行收集、存储，可以作为间隙工作的传感器、控制开关等用电器的电源。将环境中的光、热、无线电波、震动等转化为电能并进行收集通常称为微能采集，现有技术中微能采集多为对所转化后的电能存储后直接使用或作DC/DC变换后使用，没有对输入电能和电荷存储器进行动态调节和管理，当电荷存储器件处于存满状态时放弃电能收集，导致电能转换总体效率低下。另一方面为了保证系统的连续工作性，往往还要在系统中设置备用电池，现有技术中的微能采集因为总体效率较低，备用电池启用机会较大，整体长延长电池更换或电池充电周期不够明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微能量采集电路、采集装置及供电方法，可以在提高微能采集整体效率的同时少用甚至不用备用电池，使备用电池基本处于自放电状态。

因本发明的微能量采集电路、采集装置工作在微能量状态下，所以所有可能消功率的器件都是选用微功耗器件，用以更大程度节省电能消耗，以便收集更多电能。

第一方面，本发明提供了一种微能量采集电路，包括输入端口、第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关、第五控制开关、用于连接第一电荷存储器的第一电荷存储器端口、用于连接第二电荷存储器的第二电荷存储器端口、第三电源端口、第一检测电路、缓冲器、第三检测电路、第二检测电路、正与门、或非门、第七控制开关、第八控制开关、第九控制开关和输出端口；

第一控制开关，当第七控制开关接通时第一控制开关断开；当第七控制开关断开时第一控制开关接收输入端口输入并向第一电荷存储器端口输出；

第二控制开关，用于控制输入端口与第二电荷存储器端口之间的接通或断开；

第一检测电路，用于检测第一电荷存储器端口的电压，当第一电荷存储器端口的电压大于等于第一阈值时输出第一控制信号，当第一电荷存储器端口的电压小于等于第三阈值时输出第三控制信号；第三阈值小于第一阈值；

第二检测电路，用于检测第一电荷存储器端口的电压，当第一电荷存储器端口的电压大于等于第二阈值时输出第二控制信号，第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值时输出第四控制信号；第四阈值小于第二阈值，第四阈值小于第三阈值；

正与门，用于同时接收到第一控制信号和第二控制信号后输出第七控制信号，否则输出第六控制信号；

第七控制开关，用于控制端接收到第七控制信号时接通，收到第八控制信号或无控制信号输入时断开；

第二控制开关，用于控制端接收到第七控制信号时接通，收到第八控制信号或无控制信号输入时断开；

第三检测电路，用于检测第二电荷存储器端口的电压，当第二电荷存储器端口的电压大于等于第七阈值时输出第九控制信号，第一电荷存储器端口的电压小于等于第八阈值时输出第十控制信号；第八阈值小于第七阈值；

第三控制开关，用于控制端接收到第二控制信号时使第一电荷存储器端口与输出端口接通；控制端接收到第四控制信号时使第一电荷存储器端口与输出端口断开；

缓冲器，用于控制端接收到第二控制信号时接通输入端与输出端；缓冲器输入端与第三检测电路输出端连接，缓冲器输出端与第四控制开关的控制端连接；

第四控制开关，用于控制端通过缓冲器收到第九控制信号时接通，使第二电荷存储器端口与输出端口接通；

或非门，用于通过缓冲器接收到第九控制信号和/或接收到第二控制信号时输出第十一控制信号，否则输出第十二控制信号；

第五控制开关，用于控制端接收第十一控制信号时使第三电源端口与输出端口断开，接收第十二控制信号时断开使第三电源端口与输出端口接通；

第八控制开关，用于控制端接收到第二控制信号和/或控制端接收到第十二控制信号的时候接通，第八控制开关接通时使第四控制开关断开，第四控制开关断开使第二电荷存储器端口与输出端口断开；

第九控制开关，用于控制端通过缓冲器接收到第九控制信号和/或控制端接收到十二控制信号的时候接通，第九控制开关接通时使第三控制开关断开，第三控制开关断开使第一电荷存储器端口与输出端口断开。

在一些示例中，还包括低压差稳压器，第二电荷存储器端口通过低压差稳压器与第四控制开关连接，低压差稳压器控制端接收第九控制信号时输出，接收第十控制信号时停止输出。

在一些示例中，输入端口后端设置直流转换电路进行升压或降压后作为输入端口的输出。

在一些示例中，第一检测电路为第一迟滞比较器；第二检测电路为第二迟滞比较电路。第二迟滞比较电路包括取样电路和第二迟滞比较器，取样电路由第一电阻、第二电阻和第三电阻串联组成，第一电阻一端与第一控制开关输出端连接，另一端与第二电阻连接；第三电阻一端与第二电阻连接，另一端接地；第二电阻取得采样电压与第二迟滞比较器输入端连接。

在一些示例中，第一电阻、第二电阻和第三电阻均为外接电阻，且通过设置的焊点进行安装。

在一些示例中，输入端口的输出通过第四电阻与第一控制开关的控制端连接。

在一些示例中，第二检测电路电源端与第一电荷存储器端口连接，正与门电源端与第一电荷存储器端口连接；第一检测电路电源端与输出端口连接，第三检测电路电源端与输出端口连接；或非门电源端与第三电源端口连接。

在一些示例中，第七控制开关为第三NMOS管，控制端为栅极，第三NMOS管的漏极与第一控制开关的控制端连接，第三NMOS管的源极接地。第八控制开关为第四NMOS管，控制端为栅极，第四NMOS管的漏极与第四控制开关的控制端连接，第四NMOS管的源极接地。

在一些示例中，第四NMOS管栅级与第一二极管和第二二极管负极连接，第一二极管正极与第三控制开关的控制端连接，第二二极管正极与第五控制开关的控制端连接。

在一些示例中，第九控制开关为第五NMOS管，控制端为栅极，第五NMOS管的漏极与第三控制开关的控制端连接，第五NMOS管的源极接地。第五NMOS管栅级与第三二极管和第四二极管负极连接，第三二极管正极与第五控制开关的控制端连接，第四二极管正极与第四控制开关的控制端连接。

在一些示例中，还包括第一电荷存储器、第二电荷存储器和与第三电源端口连接的电池，第一电荷存储器为电解电容、薄膜电容、锂离子电容或超级电容之一；第二电荷存储器为超级电容、薄膜电容、锂离子电容或电解电容之一。

本发明还提供了一种包括微能量采集电路的微能量采集装置。

另一方面，本发明还提供了一种微能量供电方法，包括以下步骤：

S1.输入端口接受输入电压后，与第一电荷存储器端口连接的第一电荷存储器开始充电；

S2.检测第一电荷存储器端口的电压是否大于等于第二阈值，若第一电荷存储器端口的电压大于等于第二阈值，则第一电荷存储器通过输出端口输出电能；

S3.检测第一电荷存储器端口的电压是否大于等于第一阈值，若第一电荷存储器端口的电压大于等于第一阈值并且第一电荷存储器端口的电压大于等于第二阈值，则第一电荷存储器停止充电，与第二电荷存储器端口连接的第二电荷存储器开始充电；

S4.检测第一电荷存储器端口的电压是否小于等于第三阈值，若第一电荷存储器端口的电压小于等于第三阈值，则第二电荷存储器停止充电，第一电荷存储器开始充电；

S5.检测第一电荷存储器端口的电压是否小于等于第四阈值，若第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值，则第一电荷存储器停止通过输出端口输出电能；

S6.检测第二电荷存储器端口的电压是否大于等于第七阈值，若大于等于第七阈值并且第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值，则第二电荷存储器通过输出端口输出电能；

S7.循环执行S1-S6的过程；

其中第四阈值小于第三阈值，第三阈值小于第一阈值，第四阈值小于第二阈值。

进一步地，在供电方法中：

S6步中还包括检测第二电荷存储器端口的电压是否小于等于第八阈值，若小于等于第八阈值并且第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值，则第三电源端口连接的电池通过输出端口输出电能；

第八阈值小于第七阈值。

本发明能够实现的有益效果是：

当输入端口与光、热、无线电波、震动等微能量转换单元所产生的微能量电源相连接，微能量电源可以闭合第一控制开关先为第一电荷存储器充电；当第一电荷存储器电压达到第一阈值，可以为后级负载供电。本发明的后级负载可以是无线传感器，无线控制开关等用电器。

当后级无线传感器，无线控制开关等用电器消耗功率小于微能量电源功率时，在第一电荷存储器充电饱和后切换到向第二电荷存储器进行充电。这样可以提高微能量电源的利用率，使整个电能转移利用效率提高。

当在一些情况下微能量电源短时间无法提供电能的情况下，第一电荷存储器提供电能后电量减少，可以切换到第二电荷存储器提供电能。当微能量电源恢复供电并向第一电荷存储器充电，系统会自动切换到第一电荷存储器输出电能。

在一些情况下微能量电源无法提供电能且第一电荷存储器和第二电荷存储器的电量都放完时，还可以切换到电池供电。这时如果微能量电源恢复供电并向第一电荷存储器充电，系统会自动切换到第一电荷存储器输出电能。

本系统中，优先采用第一电荷存储器提供电能，第一电荷存储器无法提供电能时切换到向第二电荷存储器提供电能，并且只要第一电荷存储器恢复供电也会切换到第一电荷存储器供电。只有当第一电荷存储器和第二电荷存储器均无法提供电能时采用电池提供电能，电池实际是一个备用电池。

多数情况下，通过第一电荷存储器和第二电荷存储器的切换，能满足整个系统连续供电，使备用电池基本处于自放电状态。

在一些要求连续性高的场合，在电池电量耗尽后需要进行更换或充电，由于电池基本处于自放电状态，所以可以大大提高电池更换周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例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是本发明的原理框图。

图2是实施例1的原理图。

图3是实施例2的原理图。

图4是实施例3的原理图。

图5是实施例4的原理图。

图6是本发明供电方法的流程示意图。

附图标记：101-输入端口；102-第一控制开关；103-第二控制开关；104-第三控制开关；105-第四控制开关；106-第五控制开关；107-第一电荷存储器端口；108-第二电荷存储器端口；109-第三电源端口；110-第一检测电路；111-缓冲器；112-第三检测电路；113-第二检测电路；114-正与门；115-或非门；116-第七控制开关；117-第八控制开关；118-第九控制开关；119-输出端口；200-低压差稳压器；300-DC/DC转换电路；400-升压转换电路；U1-DC/DC转换器;U2-第一迟滞比较器；U3-第二电压比较器；U4-升压控制器; U8-第二迟滞比较器；D1-第一二极管；D2-第二二极管；D3-第三二极管；D4-第四二极管；Q3-第三NMOS管，Q4-第四NMOS管，Q5-第五NMOS管；R1-第一电阻；R2-第二电阻；R3-第三电阻；R4-第四电阻；C1-第一电容; C2-第二电容; C3-第三电容; C4-第四电容; C5-第五电容; C6-第六电容;C7-第七电容; C8-第八电容; C9-第九电容; C10-第十电容; C11-第十一电容。

具体实施方式

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描述。

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，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1，参看图1和图2。

一种微能量采集电路，包括输入端口101、第一控制开关、第二控制开关103、第三控制开关104、第四控制开关105、第五控制开关106、用于连接第一电荷存储器的第一电荷存储器端口107、用于连接第二电荷存储器的第二电荷存储器端口108、第三电源端口109、第一检测电路110、缓冲器111、第三检测电路112、第二检测电路113、正与门114、或非门115、第七控制开关116、第八控制开关117、第九控制开关118和输出端口119；

第一控制开关，当第七控制开关116接通时第一控制开关断开；当第七控制开关116断开时第一控制开关接收输入端口101输入并向第一电荷存储器端口107输出；

第二控制开关103，用于控制输入端口101与第二电荷存储器端口108之间的接通或断开；

第一检测电路110，用于检测第一电荷存储器端口107的电压，当第一电荷存储器端口107的电压大于等于第一阈值时输出第一控制信号，当第一电荷存储器端口107的电压小于等于第三阈值时输出第三控制信号；第三阈值小于第一阈值；

第二检测电路113，用于检测第一电荷存储器端口107的电压，当第一电荷存储器端口107的电压大于等于第二阈值时输出第二控制信号，第一电荷存储器端口107的电压小于等于第四阈值时输出第四控制信号；第四阈值小于第二阈值，第四阈值小于第三阈值；

正与门114，用于同时接收到第一控制信号和第二控制信号后输出第七控制信号，否则输出第六控制信号；

第七控制开关116，用于控制端接收到第七控制信号时接通，收到第八控制信号或无控制信号输入时断开；

第二控制开关103，用于控制端接收到第七控制信号时接通，收到第八控制信号或无控制信号输入时断开；

第三检测电路112，用于检测第二电荷存储器端口108的电压，当第二电荷存储器端口108的电压大于等于第七阈值时输出第九控制信号，第一电荷存储器端口107的电压小于等于第八阈值时输出第十控制信号；第八阈值小于第七阈值；

第三控制开关104，用于控制端接收到第二控制信号时使第一电荷存储器端口107与输出端口119接通；控制端接收到第四控制信号时使第一电荷存储器端口107与输出端口119断开；

缓冲器111，用于控制端接收到第二控制信号时接通输入端与输出端；缓冲器111输入端与第三检测电路112输出端连接，缓冲器111输出端与第四控制开关的控制端连接；

第四控制开关105，用于控制端通过缓冲器111收到第九控制信号时接通，使第二电荷存储器端口108与输出端口119接通；

或非门115，用于通过缓冲器111接收到第九控制信号和/或接收到第二控制信号时输出第十一控制信号，否则输出第十二控制信号；

第五控制开关106，用于控制端接收第十一控制信号时使第三电源端口109与输出端口119断开，接收第十二控制信号时断开使第三电源端口109与输出端口119接通；

第八控制开关117，用于控制端接收到第二控制信号和/或控制端接收到第十二控制信号的时候接通，第八控制开关117接通时使第四控制开关105断开，第四控制开关105断开使第二电荷存储器端口108与输出端口119断开；

第九控制开关118，用于控制端通过缓冲器111接收到第九控制信号和/或控制端接收到十二控制信号的时候接通，第九控制开关118接通时使第三控制开关104断开，第三控制开关104断开使第一电荷存储器端口107与输出端口119断开。

本实施例中，第二控制开关103的输入端、第七控制开关116的第一端以及第一控制开关的输入端均与输入端口101连接；输入端口101通过第四电阻R4与第一控制开关102的控制端连接；第二检测电路113的输入端和供电端、第三控制开关104的输入端、第九控制开关118的第一端、正与门114的供电端、第一检测电路110的输入端以及第一电荷存储器端口107均与第一控制开关102的输出端连接；正与门114的供电端连接有第五电容C5进行滤波；第一检测电路110的输出端与正与门114的第一输入端连接；第七控制开关116的控制端和第二控制开关103的控制端均与正与门114的输出端连接；第二电荷存储器端口108、第三检测电路112的输入端、第四控制开关105的输入端和缓冲器111的电源引脚均与第二控制开关103的输出端连接；缓冲器111的电源引脚连接有第三电容C3进行滤波；缓冲器111的输入端与第三检测电路112的输出端连接；正与门114的第二输入端、缓冲器111的控制端、第三控制开关104的控制端和或非门115的第一输入端均与第二检测电路113的输出端连接；第四控制开关105的控制端、第八控制开关117的第一端和或非门115的第二输入端均与缓冲器111的输出端连接；或非门115的输出端和第一输入端均与第八控制开关117的控制端单向导通，且或非门115的输出端和第二输入端均与第九控制开关118的控制端单向导通；或非门115的供电端和第五控制开关106的输入端均与第三电源端口109连接；或非门115的供电端连接有第四电容C4进行滤波；第五控制开关106的控制端与或非门115的输出端连接；第七控制开关116的第二端、第八控制开关117的第二端和第九控制开关118的第二端均接地；第一检测电路110的供电端和第三检测电路112的供电端、第三控制开关104的输出端、第四控制开关105的输出端和第五控制开关106的输出端均与输出端口119连接。

或非门115的输出端与第八控制开关117的控制端单向导通为或非门115的输出端与第二二极管D2正极连接，第八控制开关117的控制端与第二二极管D2负极连接。

或非门115的第一输入端均与第八控制开关117的控制端单向导通为或非门115的第一输入端与第一二极管D1正极连接，第八控制开关117的控制端与第一二极管D1负极连接。

或非门115的输出端与第九控制开关118的控制端单向导通为或非门115的输出端与第三二极管D3正极连接，第九控制开关118的控制端与第三二极管D3负极连接。

或非门115的第二输入端与第九控制开关118的控制端单向导通为或非门115的第二输入端与第四二极管D4正极连接，第九控制开关118的控制端与第四二极管D4负极连接。

缓冲器111的A引脚为输入端，Y引脚为输出端，GND引脚接地，VCC引脚为供电端，

引脚为控制端，多数情况下控制端为低电平有效。

第一检测电路110包括第一迟滞比较器U2和第一电容C1；第三检测电路112包括第二电压比较器U3；第一迟滞比较器U2的输入端与第一控制开关102的输出端连接；第一电容C1的第二端接地；第一迟滞比较器U2的供电端与输出端口119连接；第一迟滞比较器U2的输出端与正与门114的第一输入端连接；第二电压比较器U3的输入端与第二控制开关103的输出端连接；第二电压比较器U3的供电端与输出端口119连接。

第二检测电路113为第二迟滞比较电路，第二迟滞比较电路包括取样电路和第二迟滞比较器U8，取样电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3；第一电阻R1的第一端与第一控制开关102的输出端连接；第一电阻R1的第二端和第二电阻R2的第一端均与第二迟滞比较器U8的同相输入端连接；第二电阻R2的第二端和第三电阻R3的第一端均与第二迟滞比较器U8的反相输入端连接；第三电阻R3的第二端接地；第二迟滞比较器U8的输出端与正与门114的第二输入端连接。

第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3均为外接电阻，且通过设置的焊点进行安装。采用外接电阻的方式可以便于根据实际使用环境的电压需求安装对应阻值的电阻。

在一些电路中各个元件的供电引脚还可以设置一个接地电容退耦，使得供电电压更加稳定，提高抗干扰能力。

第一控制开关102、第二控制开关103、第三控制开关104、第四控制开关105、第五控制开关106可以选用集成电路控制开关，在控制端高电平时接通，控制端低电平时处理高阻状态，且自身能耗很低。这些控制控制开关中，VIN引脚为输入引脚，OUT引脚为输出引脚，GND为接地引脚，EN引脚为控制端，多数情况下控制端为高电压有效。

第七控制开关116、第八控制开关117和第九控制开关118均可采用NMOS管，控制端为栅极,第一端为漏极，第二端为源极。

第七控制开关116为第三NMOS管Q3，第八控制开关117为第四NMOS管Q4，第九控制开关118为第五NMOS管Q5。

实施例2，参见图3。

本实施例中，还包括低压差稳压器200，第二电荷存储器端口108通过低压差稳压器200与第四控制开关105连接，低压差稳压器200的控制端接收第九控制信号时输出，接收第十控制信号时停止输出。

低压差稳压器200的输入端与第二控制开关103的输出端连接；第四控制开关105的输入端和缓冲器111的电源引脚均与低压差稳压器200的输出端连接；低压差稳压器200的控制端和缓冲器111的输入端与第三检测电路112的输出端连接，低压差稳压器200的输出端接有第二电容C2进行滤波。

通过设置低压差稳压器200，控制端由第二电荷存储器的电压控制，当第二电荷存储器未达到可以输出的要求或因放电后电压降低时切断输出，使第二电荷存储器处于隔离状态，整个系统可靠性更高。

低压差稳压器200中VIN引脚为输入端，OUT引脚为输出端，GND引脚为接地端，EN引脚为控制端，多数情况下控制端为高电压有效，NC引脚不具功能。

实施例3，参见图4。

本实施例中，输入端口101后端设置直流转换电路进行升压后作为输入端口101的输出。

直流转换电路为DC/DC转换电路300，包括DC/DC转换器U1；DC/DC转换器U1的EN引脚和VIN引脚通过第五电阻R5和第七电容C7组成的滤波电路与输入端口101连接；DC/DC转换器U1的SW引脚通过一个电感器L1后与输入端口101连接。DC/DC转换器U1的FB引脚和OUT引脚通过第六电阻R6、第七电阻R7和第六电容C6等组成的输出电路后同时与第一控制开关102的输入端和第二控制开关103的输入端连接。

实施例4,参见图5。

本实施例中，直流转换电路采用升压转换电路400，升压转换电路400包括与输入端口101连接的变压器T1以及与变压器T1连接的升压控制器U4；

升压转换电路400中，变压器T1的初级线圈一端与输入端口101连接，另一端与升压控制器U4的LX引脚连接；变压器T1次级线圈一端接地，另一端通过第八电容C8与升压控制器U4的AC引脚连接，另一端同时通过第九电容C9与升压控制器U4的FB引脚连接；升压控制器U4的DIS引脚和GND引脚同时接地；升压控制器U4的VSUP引脚为升压转换电路400输出端；升压转换电路400的输入端设有第十电容C10进行滤波，输出端设有第十一电容C11进行滤波；升压转换电路400的输出端同时与第一控制开关102的输入端和第二控制开关103的输入端连接。通过设置的升压转换电路400可以使输入端口101输入的电压进行升压后再作为输入端口101的输出。

本发明还提供了一种基于微能量采集的采集装置，包括上述采集电路，以及第一电荷存储器、第二电荷存储器和与第三电源端口109连接的电池。

第一电荷存储器为电解电容、薄膜电容、锂离子电容或超级电容之一；第二电荷存储器为超级电容、薄膜电容、锂离子电容或电解电容之一。

电荷存储器也可以采用其它具有储电特性的半导体器件，在某些情况下也可以采用充电电池。

微能量电源可以选用光伏板、压力发电板、温差发电器等发电器件中的一种或者多种。

参看图6，本发明还提供了一种微能量供电方法，包括以下步骤：

S1.输入端口接受输入电压后，与第一电荷存储器端口连接的第一电荷存储器开始充电；

S2.检测第一电荷存储器端口的电压是否大于等于第二阈值，若第一电荷存储器端口的电压大于等于第二阈值，则第一电荷存储器通过输出端口输出电能；

S3.检测第一电荷存储器端口的电压是否大于等于第一阈值，若第一电荷存储器端口的电压大于等于第一阈值并且第一电荷存储器端口的电压大于等于第二阈值，则第一电荷存储器停止充电，与第二电荷存储器端口连接的第二电荷存储器开始充电；

S4.检测第一电荷存储器端口的电压是否小于等于第三阈值，若第一电荷存储器端口的电压小于等于第三阈值，则第二电荷存储器停止充电，第一电荷存储器开始充电；

S5.检测第一电荷存储器端口的电压是否小于等于第四阈值，若第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值，则第一电荷存储器停止通过输出端口输出电能；

S6.检测第二电荷存储器端口的电压是否大于等于第七阈值，若大于等于第七阈值并且第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值，则第二电荷存储器通过输出端口输出电能；

S7.循环执行S1-S6的过程；

其中第四阈值小于第三阈值，第三阈值小于第一阈值，第四阈值小于第二阈值。

进一步地，在供电方法中：

S6步中还包括检测第二电荷存储器端口的电压是否小于等于第八阈值，若小于等于第八阈值并且第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值，则第三电源端口连接的电池通过输出端口输出电能；

第八阈值小于第七阈值。

工作原理：

假设第一阈值为3.4V，第二阈值为3.5V，第三阈值为3.3V，第四阈值为2.5V，满足第四阈值小于第三阈值，第三阈值小于第一阈值，第四阈值小于第二阈值的关系，第七阈值为3.5V，第八阈值为2.5V，满足第八阈值小于第七阈值关系。与第一电荷存储器端口107连接的第一电荷存储器为电解电容，与第二电荷存储器端口108连接的第一电荷存储器为超级电容。

工作时，与输入端口101连接的微能量电源有电压输出后，第一控制开关102闭合，与第一电荷存储器端口107连接的电解电容开始充电，第二检测电路113检测电解电容的电压是否大于等于第二阈值，此时第二阈值为3.5V；若电解电容的电压大于等于第二阈值，则第二检测电路113均输出高电平，此时第三控制开关104的控制端接受第二检测电路113输出的高电平接通，电解电容开始为负载提供电能。

第一检测电路110检测电解电容电压是否大于等于第一阈值，如果电解电容电压大于等于第一阈值，此时第一阈值为3.4V，则第一检测电路110输出高电平，当电解电容满足输出电压要求，同时也满足充电电压要求时，正与门114的第一输入端和第二输入端同时输入高电平，正与门114输出高电平，第七控制开关116和第二控制开关103接通，第七控制开关116接通使第一控制开关102的控制端接地使第一控制开关102断开，电解电容停止充电；第二控制开关103接通使与第二电荷存储器端口108连接的超级电容开始充电。

电解电容提供电能过程中电压逐渐降低，若第一检测电路110检测到电解电容的电压小于等于第三阈值，此时第三阈值为3.3V，则输出低电平；此时正与门114输出发生翻转，第七控制开关116和第二控制开关103断开，同时第一控制开关102接通，电路切换到为电解电容充电。

若微能量电源有电压输出，电解电容会得到充电，第一检测电路110检测到电解电容电压高到一定值后会输出高电平，电路转换为向超级电容充电。第一检测电路110通过检测电解电容的电压，当电解电容达到第一阈值时，就切换到向超级电容充电，小于等于第三阈值时切换到向电解电容补充充电。上述过程不停循环，在电解电容不停向负载供电的同时还利用电解电容达到充电饱和无法继续充电的时候向超级电容充电，更有效收集电能。

在一些情况下，例如在用光伏板作为微能量电源，环境由白天转入夜晚的时候，微能量电源会逐渐停止输出。当微能量电源停止输出后，电解电容持续向负载供电，电压会逐渐降低。第二检测电路113检测电解电容的电压是否小于第四阈值，此时第四阈值为2.5V，当电解电容的电压小于第四阈值时，第二检测电路113输出低电平。第二检测电路113输出的低电平使第三控制开关104断开，同时缓冲器111开启；

此时第三检测电路112会检测超级电容的电压，如果超级电容的电压大于等于第七阈值，此时第七阈值为3.5V，第三检测电路112输出高电平使第四控制开关105接通，超级电容开始为负载供电。

此时如果微能量电源恢复供电，微能量电源通过第四电阻R4使第一控制开关102接通，电解电容开始充电，当电解电容充电电压超过第二阈值时，第二检测电路113输出高电平使缓冲器111切断，缓冲器111切断使第四控制开关的控制端为低电平而断开，超级电容停止供电，同时第三控制开关104接通，电解电容开始为负载供电。

如果微能量电源一直没恢复供电，超级电容持续为负载供电，电压逐渐降低，当超级电容电压小于第八阈值时，此时第八阈值为2.5V，则第三检测电路112输出低电平；或非门115输出高电平，第五控制开关106接通，同时第二地开关117接通使第四控制开关105断开，第三地开关118接通使第三控制开关104断开，电池通过第五控制开关106开始为负载提供电能。

此时如果微能量电源恢复供电，微能量电源通过第四电阻R4使第一控制开关102接通，电解电容开始充电，当电解电容充电电压超过第二阈值时，第二检测电路113输出高电平使第九控制开关118接通，第九控制开关118接通后使第五控制开关106断开，电池停止供电，同时第三控制开关104接通，电解电容开始为负载供电。

对于几个阈值的选取，可以根据需要调节，只要满足第四阈值小于第三阈值，第三阈值小于第一阈值，第四阈值小于第二阈值的关系就可以正常工作。

以上，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种微能量采集电路，其特征在于：包括输入端口、第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关、第五控制开关、用于连接第一电荷存储器的第一电荷存储器端口、用于连接第二电荷存储器的第二电荷存储器端口、第三电源端口、第一检测电路、缓冲器、第二检测电路、第三检测电路、正与门、或非门、第七控制开关、第八控制开关、第九控制开关和输出端口；

所述第一控制开关，当第七控制开关接通时第一控制开关断开；当第七控制开关断开时第一控制开关接收输入端口输入并向第一电荷存储器端口输出；

所述第二控制开关，用于控制输入端口与第二电荷存储器端口之间的接通或断开；

所述第一检测电路，用于检测第一电荷存储器端口的电压，当第一电荷存储器端口的电压大于等于第一阈值时输出第一控制信号，当第一电荷存储器端口的电压小于等于第三阈值时输出第三控制信号；所述第三阈值小于第一阈值；

所述第二检测电路，用于检测第一电荷存储器端口的电压，当第一电荷存储器端口的电压大于等于第二阈值时输出第二控制信号，第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值时输出第四控制信号；所述第四阈值小于第二阈值，所述第四阈值小于第三阈值；

所述正与门，用于同时接收到第一控制信号和第二控制信号后输出第七控制信号，否则输出第六控制信号；

所述第七控制开关，用于控制端接收到第七控制信号时接通，收到第八控制信号或无控制信号输入时断开；

所述第二控制开关，用于控制端接收到第七控制信号时接通，收到第八控制信号或无控制信号输入时断开；

所述第三检测电路，用于检测第二电荷存储器端口的电压，当第二电荷存储器端口的电压大于等于第七阈值时输出第九控制信号，第一电荷存储器端口的电压小于等于第八阈值时输出第十控制信号；所述第八阈值小于第七阈值；

所述第三控制开关，用于控制端接收到第二控制信号时使第一电荷存储器端口与输出端口接通；控制端接收到第四控制信号时使第一电荷存储器端口与输出端口断开；

所述缓冲器，用于控制端接收到第二控制信号时接通输入端与输出端；所述缓冲器输入端与第三检测电路输出端连接，缓冲器输出端与第四控制开关的控制端连接；

所述第四控制开关，用于控制端通过缓冲器收到第九控制信号时接通，使第二电荷存储器端口与输出端口接通；

所述或非门，用于通过缓冲器接收到第九控制信号，和/或接收到第二控制信号时输出第十一控制信号，否则输出第十二控制信号；

所述第五控制开关，用于控制端接收第十一控制信号时使第三电源端口与输出端口断开，接收第十二控制信号时断开使第三电源端口与输出端口接通；

所述第八控制开关，用于控制端接收到第二控制信号和/或控制端接收到第十二控制信号的时候接通，第八控制开关接通时使第四控制开关断开，第四控制开关断开使第二电荷存储器端口与输出端口断开；

所述第九控制开关，用于控制端通过缓冲器接收到第九控制信号和/或控制端接收到十二控制信号的时候接通，第九控制开关接通时使第三控制开关断开，第三控制开关断开使第一电荷存储器端口与输出端口断开。

2.根据权利要求1所述的微能量采集电路，其特征在于：还包括低压差稳压器，第二电荷存储器端口通过低压差稳压器与第四控制开关连接，低压差稳压器的控制端接收第九控制信号时输出，接收第十控制信号时停止输出。

3.根据权利要求1或2所述的微能量采集电路，其特征在于：所述第一检测电路为第一迟滞比较器；所述第二检测电路为第二迟滞比较电路。

4.根据权利要求3所述的微能量采集电路，其特征在于：所述第二迟滞比较电路包括取样电路和第二迟滞比较器，所述取样电路由第一电阻、第二电阻和第三电阻串联组成，第一电阻一端与第一控制开关输出端连接，另一端与第二电阻连接；第三电阻一端与第二电阻连接，另一端接地；第二电阻取得采样电压与第二迟滞比较器输入端连接。

5.根据权利要求4所述的微能量采集电路，其特征在于：所述第一电阻、第二电阻和第三电阻均为外接电阻，且通过设置的焊点进行安装。

6.根据权利要求5所述的微能量采集电路，其特征在于：所述输入端口的输出通过第四电阻与第一控制开关的控制端连接。

7.根据权利要求6所述的微能量采集电路，其特征在于：第二检测电路电源端与第一电荷存储器端口连接，所述正与门电源端与第一电荷存储器端口连接；所述第一检测电路电源端与输出端口连接，所述第三检测电路电源端与输出端口连接；所述或非门电源端与第三电源端口连接。

8.根据权利要求7所述的微能量采集电路，其特征在于：所述第七控制开关为第三NMOS管，控制端为栅极，所述第三NMOS管的漏极与第一控制开关的控制端连接，第三NMOS管的源极接地。

9.根据权利要求7所述的微能量采集电路，其特征在于：所述第八控制开关为第四NMOS管，控制端为栅极，所述第四NMOS管的漏极与第四控制开关的控制端连接，第四NMOS管的源极接地。

10.根据权利要求9所述的微能量采集电路，其特征在于：所述第四NMOS管栅级与第一二极管和第二二极管负极连接，第一二极管正极与第三控制开关的控制端连接，第二二极管正极与第五控制开关的控制端连接。

11.根据权利要求7所述的微能量采集电路，其特征在于：所述第九控制开关为第五NMOS管，控制端为栅极，所述第五NMOS管的漏极与第三控制开关的控制端连接，第五NMOS管的源极接地。

12.根据权利要求11所述的微能量采集电路，其特征在于：所述第五NMOS管栅级与第三二极管和第四二极管负极连接，第三二极管正极与第五控制开关的控制端连接，第四二极管正极与第四控制开关的控制端连接。

13.根据权利要求1到2或4到12任一所述的微能量采集电路，其特征在于：所述输入端口后端设置直流转换电路进行升压或降压后作为输入端口的输出。

14.根据权利要求1到2或4到12任一所述的微能量采集电路，其特征在于：还包括第一电荷存储器、第二电荷存储器和与第三电源端口连接的电池，所述第一电荷存储器为电解电容、薄膜电容、锂离子电容或超级电容之一；所述第二电荷存储器为超级电容、薄膜电容、锂离子电容或电解电容之一。

15.一种微能量采集装置，其特征在于：包括权利要求1到2或4到12任一所述的微能量采集电路。

16.一种微能量采集装置，其特征在于：包括权利要求13所述的微能量采集电路。

17.一种微能量采集装置，其特征在于：包括权利要求14所述的微能量采集电路。

18.一种微能量供电方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.输入端口接受输入电压后，与第一电荷存储器端口连接的第一电荷存储器开始充电；

S2.检测第一电荷存储器端口的电压是否大于等于第二阈值，若第一电荷存储器端口的电压大于等于第二阈值，则第一电荷存储器通过输出端口输出电能；

S3.检测第一电荷存储器端口的电压是否大于等于第一阈值，若第一电荷存储器端口的电压大于等于第一阈值并且第一电荷存储器端口的电压大于等于第二阈值，则第一电荷存储器停止充电，与第二电荷存储器端口连接的第二电荷存储器开始充电；

S4.检测第一电荷存储器端口的电压是否小于等于第三阈值，若第一电荷存储器端口的电压小于等于第三阈值，则第二电荷存储器停止充电，第一电荷存储器开始充电；

S5.检测第一电荷存储器端口的电压是否小于等于第四阈值，若第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值，则第一电荷存储器停止通过输出端口输出电能；

S6.检测第二电荷存储器端口的电压是否大于等于第七阈值，若大于等于第七阈值并且第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值，则第二电荷存储器通过输出端口输出电能；

S7.循环执行S1-S6的过程；

其中第四阈值小于第三阈值，第三阈值小于第一阈值，第四阈值小于第二阈值。

19.根据权利要求18所述的微能量供电方法，其特征在于：

S6步中还包括检测第二电荷存储器端口的电压是否小于等于第八阈值，若小于等于第八阈值并且第一电荷存储器端口的电压小于等于第四阈值，则第三电源端口连接的电池通过输出端口输出电能；

所述第八阈值小于第七阈值。

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