CN114865760A - 一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法 - Google Patents

一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114865760A
CN114865760A CN202210603564.9A CN202210603564A CN114865760A CN 114865760 A CN114865760 A CN 114865760A CN 202210603564 A CN202210603564 A CN 202210603564A CN 114865760 A CN114865760 A CN 114865760A
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
circuit
super capacitor
power supply
pin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210603564.9A
Other languages
English (en)
Inventor
李伟
杨洋
甘峰源
周易
杨雪雷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS filed Critical Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority to CN202210603564.9A priority Critical patent/CN114865760A/zh
Publication of CN114865760A publication Critical patent/CN114865760A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage
    • H02J7/06—Regulation of charging current or voltage using discharge tubes or semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/50—Charging of capacitors, supercapacitors, ultra-capacitors or double layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

本发明提供一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源，包括磁能采集模块和电能管理电路模块，磁能采集模块包括非闭合式磁芯线圈组件和谐振电容，电能管理电路模块包括依次连接的过流过压保护电路、电荷泵倍压电路、稳压电路、超级电容充电电路、超级电容和超级电容放电电路，充电电路与稳压电路连接，放电电路通过其开关管与电荷泵倍压电路连接；稳压电路和放电电路分别通过放电二极管与负载连接。本发明的取电电源采用基于非闭合式磁芯的磁能采集模块，可适用于不同电压等级、不同尺寸的电缆，易安装和拆卸，并且通过电荷泵电路和超级电容储能来降低供电死区，减少电能管理电路的设计难度，可以在载流量宽范围波动的情况下为负载稳定供电。

Description

一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法
技术领域
本发明属于感应取电技术领域，更具体地，涉及一种非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法。
背景技术
为保障电力电缆的安全运行，电力电缆的运行状态需要无线传感设备实时在线的监测，而传感器的自供电问题是制约其规模化应用的核心问题。地表下电力电缆基本上敷设在相应的电缆沟道里，当然还有的电缆直接填埋在土壤里，电缆线路长且分布面比较分散，不易使用低压电源供电，这样特殊的工况对无线传感装置要求更高。高压输电线路通常下分布在人烟稀少的野外，线路周围的环境充斥着强电磁，无法直接用输电线路给在线监测传感装置供电，也无法像室内的设备可以有专用的供电线路，就算有专门的供电线路但是电压等级的不同会产生绝缘等麻烦。
针对电缆附近变化的磁场，将这些丰富的磁场加以利用就可以为附近的无线传感设备不断的提供可以利用的能量，实现能量的自给自足。
目前常用CT取电为传感设备供电。一般情况下CT取电是一个特制的取电磁环加线圈，让载流电力电缆穿在磁环内，当电力电缆流经变化交流载流量的时候，在CT装置的线圈端口感应出变化的交流电压，通过电能管理电路将变化的电压转变为稳定的低压直流给传感器等负载供电。电能管理电路包括交流侧保护电路、整流滤波电路、直流侧保护电路、DCDC稳压电路、蓄电池充电电路、蓄电池放电电路、能量泄放电路。在电缆载流量较低时，通过蓄电池电路为负载供电来减低供电死区，在电缆载流量较高时，通过蓄电池充电电路为蓄电池充电。在CT磁芯过饱和时，通过保护电路进行保护，将多余的能量泄放。
现有的基于闭合式磁芯的CT取电技术的缺点在于，其闭环磁芯需要根据电缆尺寸设计，不易安装拆卸。在电缆载流量在较大时，CT取电感应磁芯易饱和，导致磁芯发热和取电效率下降，过饱和状态下电压畸变升高对后级管理电路要求变高，设计电能管理电路变得复杂。
现有的基于非闭合式磁芯的CT取电技术缺点在于，由于输出功率低，导致供电死区较多，无法实现对负载的稳定供电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法，以降低供电死区，实现对负载的稳定供电。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源，包括磁能采集模块和电能管理电路模块，所述磁能采集模块包括非闭合式磁芯线圈组件和谐振电容，所述电能管理电路模块包括依次连接的过流过压保护电路、电荷泵倍压电路、第一稳压电路和超级电容储能模块，所述超级电容储能模块包括依次连接的超级电容充电电路、超级电容和超级电容放电电路，所述超级电容充电电路与第一稳压电路连接，所述超级电容放电电路通过其第四开关管与电荷泵倍压电路连接；所述第一稳压电路和所述超级电容放电电路分别通过第一放电二极管、第二放电二极管与负载连接。
优选地，所述第一稳压电路设置为接收电荷泵倍压电路的输出端的电压，并在电荷泵倍压电路的输出端的电压超过稳压电路稳定供电阈值时将其转化为稳定输出的直流供电电压，来输出给负载；
所述超级电容充电电路设置为：在电荷泵倍压电路的输出端的电压大于稳压电路稳定供电阈值且超级电容的两端的电压小于超级电容的最低充电截止电压时，利用第一稳压电路的输出端的电压对超级电容充电，否则，停止充电；
所述超级电容放电电路设置为：在电荷泵倍压电路的输出端的电压小于稳压电路稳定供电阈值且超级电容的两端的电压大于或等于最低充电截止电压时，利用超级电容的两端的电压通过所述超级电容放电电路的LDO线性稳压器为负载供电；否则，超级电容放电电路停止放电。
优选地，所述超级电容充电电路至少包括与第一稳压电路相连的第一充电二极管和限流电阻，所述超级电容放电电路至少包括与所述电荷泵倍压电路相连的第四开关管及通过使能引脚与第四开关管相连的LDO线性稳压器，所述LDO线性稳压器通过其IN引脚与所述超级电容相连。
优选地，所述超级电容充电电路包括依次连接的第一充电二极管、第二开关管和限流电阻，所述第一充电二极管与所述第一稳压电路的输出端连接，所述限流电阻与所述超级电容的一端连接，所述超级电容的另一端接地；第二开关管的漏极与第一充电二极管相连，其源极接地，其栅极与第三开关管的漏极相连并通过第五电阻接地；第三开关管的源极与所述电荷泵倍压电路的输出端相连，其栅极通过第六电阻连接第一开关管的漏极，并通过第七电阻连接所述电荷泵倍压电路的输出端；第一开关管的源极接地，其栅极与迟滞比较器的输出端连接；所述迟滞比较器的输出端通过第八电阻接地，且通过第九电阻连接迟滞比较器的正向输入端；所述迟滞比较器的正向输入端连接所述迟滞比较器的电源端，并且通过第十电阻连接所述第一稳压电路的输出端；所述迟滞比较器的反向输入端与限流电阻和超级电容的连接点连接，所述迟滞比较器的接地端接地。
优选地，所述LDO线性稳压器的具有IN引脚、EN引脚、GND引脚、FB引脚和OUT引脚；所述第四开关管的栅极与电荷泵倍压电路的输出端连接并通过第十二电阻与所述第四开关管的漏极连接，所述第四开关管的漏极与所述LDO线性稳压器的EN引脚连接，所述第四开关管的源极接地；所述超级电容的未接地的一端与所述LDO线性稳压器的IN引脚连接；所述LDO线性稳压器的OUT引脚通过第十二电容接地，并且通过彼此串联的第十三电阻和第十四电阻接地；所述LDO线性稳压器的FB引脚连接第十三电阻和第十四电阻的连接点；所述LDO线性稳压器的IN引脚还通过第十三电容接地。
优选地，所述过流过压保护电路由与磁能采集模块的一个输出端串联的平波电感和并联在磁能采集模块的两个输出端的瞬态抑制二极管组成，所述瞬态抑制二极管的两端为所述过流过压保护电路的两个输出端，且所述过流过压保护电路的其中一个输出端接地。
优选地，所述电荷泵倍压电路包括按照电流流向依次连接在所述过流过压保护电路的两个输出端之间的第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、第四肖特基二极管、第五肖特基二极管和第五倍压电容，一端连接第一肖特基二极管的负极且另一端接地的第一倍压电容，一端连接第一肖特基二极管的正极且另一端连接第二肖特基二极管的负极的第二倍压电容，一端连接第三肖特基二极管的负极且另一端接地的第三倍压电容，以及一端连接第三肖特基二极管的正极且另一端连接第二肖特基二极管的负极的第四倍压电容。
优选地，所述第一稳压电路为DCDC稳压电路，其由稳压器及其外围电路组成。
优选地，所述电荷泵倍压电路的输出端直接与所述稳压器的VCC引脚相连，通过第二电阻与所述稳压器的SWC引脚、Ipk引脚和DRV引脚相连，并通过第八电容接地；所述稳压器的Ct引脚通过第九电容接地，所述稳压器的GND引脚直接接地；所述稳压器的IN引脚通过第一反馈电阻接地，并通过第二反馈电阻和第二电感连接所述稳压器的SWE引脚；所述稳压器的SWE引脚还与第十二极管的负极相连，第十二极管的正极接地；所述第二反馈电阻和第二电感的连接点通过第十电容接地，并且与第三电感连接，该第三电感通过第十一电容接地，并且通过第一放电二极管与负载连接。
另一方面，本发明提供一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源的供电方法，包括：
S1：搭建根据上文所述的非闭合式磁芯的感应取电电源并接通；
S2：通过磁能采集模块发送交流感应电压至电荷泵倍压电路；
S3：利用第一稳压电路接收电荷泵倍压电路的输出端的电压，并在电荷泵倍压电路的输出端的电压超过稳压电路稳定供电阈值时，稳定输出直流供电电压至负载；反之，第一稳压电路停止供电；
S4：利用超级电容充电电路，在电荷泵倍压电路的输出端的电压大于稳压电路稳定供电阈值且超级电容的两端的电压小于超级电容的最低充电截止电压时，利用第一稳压电路的输出电压对超级电容充电；否则，超级电容充电电路停止充电；
S5：利用超级电容放电电路，在电荷泵倍压电路的输出端的电压小于稳压电路稳定供电阈值且超级电容的两端的电压大于或等于最低充电截止电压时，利用超级电容的两端的电压通过所述超级电容放电电路的LDO线性稳压器为负载供电；否则，超级电容放电电路停止放电。
本发明的基于非闭合式磁芯的感应取电电源采用基于非闭合式磁芯的磁能采集模块，其磁芯不易饱和，易安装和拆卸，并且通过设计电荷泵电路和超级电容储能来降低供电死区，从而减少电能管理电路的设计难度，可以在载流量宽范围波动的情况下为负载稳定供电。
附图说明
图1是本发明的基于非闭合式磁芯的感应取电电源的结构框图。
图2是根据本发明的一个实施例的基于非闭合式磁芯的感应取电电源的电荷泵倍压电路和第一稳压电路的电路原理图。
图3是根据本发明的一个实施例的基于非闭合式磁芯的感应取电电源的超级电容充电电路的电路原理图。
图4是根据本发明的一个实施例的基于非闭合式磁芯的感应取电电源的超级电容放电电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
本发明提供一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其用于对负载(如阻值为1kΩ的低功耗传感器)进行稳定供电。如图1所示，所述基于非闭合式磁芯的感应取电电源包括磁能采集模块10和电能管理电路模块20。
所述磁能采集模块10包括非闭合式磁芯线圈组件11和谐振电容C1，所述非闭合磁芯线圈11的二次侧具有两个输出端，其中一个输出端与谐振电容C1串联并通过谐振电容C1与电能管理电路模块20的一个输入端连接，且另一个输出端直接与电能管理电路模块20的另一个输入端连接。
所述电能管理电路模块20包括依次连接的过流过压保护电路21、电荷泵倍压电路22、第一稳压电路23和超级电容储能模块24，所述超级电容储能模块24包括依次连接的超级电容充电电路241、超级电容C2和超级电容放电电路242，所述超级电容充电电路241与第一稳压电路23连接，所述超级电容放电电路242通过其第四开关管Q4与电荷泵倍压电路22连接；所述第一稳压电路23和所述超级电容放电电路242分别通过第一放电二极管D1、第二放电二极管D2与负载(如低功耗传感器的负载)连接。
具体来说，所述过流过压保护电路21具有两个输入端和两个输出端，其输入端为电能管理电路模块20的两个输入端并与所述磁能采集模块10的两个输出端连接，其输出端连接电荷泵倍压电路22。电荷泵倍压电路22具有输入端和输出端，所述电荷泵倍压电路22的输入端与过流过压保护电路21的输出端连接，所述电荷泵倍压电路22的输出端连接第一稳压电路23，并且通过第四开关管Q4与超级电容储能模块24连接。
所述第一稳压电路23为DCDC稳压电路，所述第一稳压电路23的输入端与电荷泵倍压电路22的输出端连接，其输出端通过第一放电二极管D1与负载连接，且输出端与超级电容充电电路241连接。
所述超级电容充电电路241至少包括与第一稳压电路23相连的第一充电二极管D3和限流电阻R1。所述超级电容放电电路242至少包括与所述电荷泵倍压电路22相连的第四开关管Q4及通过EN引脚(即使能引脚)与第四开关管Q4相连的LDO线性稳压器，LDO线性稳压器还通过其IN引脚与所述超级电容C2相连。由此，所述超级电容C2用于在第一稳压电路23的输出不足时，使LDO线性稳压器工作并通过LDO线性稳压器给负载供电。
在本实施例中，所述非闭合式磁芯线圈组件11由14根细圆柱磁芯和套设于所述细圆柱磁芯的线圈组成，细圆柱磁芯中的至少一部分相对于线圈可抽动，来提高输出功率。谐振电容C1串联在非闭合式磁芯线圈组件11的其中一个输出端，来匹配输出最大功率，非闭合式磁芯线圈组件11的另一个输出端接地。所述非闭合式磁芯线圈组件11可以卡接在电力电缆表面。在电缆载流量100A时，所接负载为1kΩ的磁能采集模块10可以采集到10mW的功率。由此，本发明的基于非闭合式磁芯的感应取电电源采用直角形可抽动磁芯，其体积和质量都小于CT磁环，输出功率及功率密度较好且磁芯不易饱和，且可适用于不同电压等级、不同尺寸的电缆。即包括其他形式的非闭合式磁芯和线圈。
如图2所示，所述过流过压保护电路21由与磁能采集模块10的一个输出端串联的平波电感L1和并联在磁能采集模块10的两个输出端的瞬态抑制二极管D4组成，所述瞬态抑制二极管D4的两端为所述过流过压保护电路21的两个输出端，且所述过流过压保护电路21的其中一个输出端接地。由此，当磁能采集装置10的两个输出端之间的端口感应电压超过规定值时，瞬态抑制二极管D4导通，对所述过流过压保护电路21的输出端处的后端电路有一个保护作用。所述瞬态抑制二极管D4还对超出钳制电压的交流感应电压进行限制，起到预稳压作用。所述平波电感L1兼有平波和限流的功能，限流效果明显快速。在本实施例中，磁能采集模块10的输出信号为频率是50Hz、电压均方根是50Vrms的交流信号V1，平波电感L1的电感值为0.25mH，瞬态抑制二极管D4的型号是P4KE10CA-E3/54。
所述电荷泵倍压电路22与所述过流过压保护电路21的两个输出端连接。所述电荷泵倍压电路22由五个倍压电容C3、C4、C5、C6、C7和五个肖特基二极管D5、D6、D7、D8、D9组成，具体来说，所述电荷泵倍压电路22包括按照电流流向依次连接在所述过流过压保护电路21的两个输出端之间的第一肖特基二极管D5、第二肖特基二极管D6、第三肖特基二极管D7、第四肖特基二极管D8、第五肖特基二极管D9和第五倍压电容C7。此外，所述电荷泵倍压电路22还包括一端连接第一肖特基二极管D5的负极且另一端接地的第一倍压电容C3、一端连接第一肖特基二极管D5的正极且另一端连接第二肖特基二极管D6的负极的第二倍压电容C4、一端连接第三肖特基二极管D7的负极且另一端接地的第三倍压电容C5、以及一端连接第三肖特基二极管D7的正极且另一端连接第二肖特基二极管D6的负极的第四倍压电容C6。第五肖特基二极管D9的负极为所述电荷泵倍压电路22的输出端。在本实施例中，五个倍压电容C3、C4、C5、C6、C7的容值均为1000pF，且五个肖特基二极管D5、D6、D7、D8、D9的型号均为1BH62。
由此，假设在电荷泵电压电路22的输入端处，经过平波限流的感应电压有效值为U，则通过第一肖特基二极管D5对第一倍压电容C3进行充电，通过第一倍压电容C3和第二肖特基二极管D6对第二倍压电容C4充电，通过第二倍压电容C4和第三肖特基二极管D7对第三倍压电容C5充电，通过第三倍压电容C5和第四肖特基二极管D8对第二倍压电容C4和第四倍压电容C6充电，通过第二倍压电容C4、第四倍压电容C6和第五肖特基二极管D9对第五倍压电容C7充电，最终得到的电荷泵电压电路22的输出端的电压为5U。然后通过第五倍压电容C7为下一级电路供电，实现整流倍压的目标。所以若感应电压比肖特基二极管D5、D6、D7、D8、D9的死区电压大，电路就能正常的运行。电荷泵倍压电路22设置为将较低的感应电压进行倍压后提供给后续电路。
所述第一稳压电路23与所述电荷泵倍压电路22的输出端(即第五肖特基二极管D9的负极)连接，所述第一稳压电路23为DCDC稳压电路，其由稳压器U1及其外围电路组成。在本实施例中，所述稳压器U1的型号为MC34063ADG，其具有8个引脚，分别为SWC引脚(即开关管集电极引脚)、SWE引脚(即开关管发射极引脚)、Ct引脚(即定时电容引脚)、GND引脚、IN引脚(即比较器反向输入引脚)、VCC引脚、Ipk引脚和DRV引脚(即驱动管集电极引脚)。
如图2和图3所示，第一稳压电路23的外围电路包括以下器件：所述电荷泵倍压电路22的输出端VCC直接与所述稳压器U1的VCC引脚相连，通过第二电阻R2与所述稳压器U1的SWC引脚、Ipk引脚和DRV引脚相连，并通过第八电容C8接地。所述稳压器U1的Ct引脚通过第九电容C9接地，所述稳压器U1的GND引脚直接接地。所述稳压器U1的IN引脚通过第一反馈电阻R3接地，并通过第二反馈电阻R4和第二电感L2连接所述稳压器U1的SWE引脚。所述稳压器U1的SWE引脚还与第十二极管D10的负极相连，第十二极管D10的正极接地。所述第二反馈电阻R4和第二电感L2的连接点通过第十电容C10接地，并且与第三电感L3连接，该第三电感L3通过第十一电容C11接地，并且通过第一放电二极管D1与负载连接。
在本实施例中，第二电阻R2的阻值是0.33Ω，所述第八电容C8的容值为100μF，所述第九电容C9的容值为470pF，所述第一反馈电阻R3的阻值为1kΩ，所述第二反馈电阻R4的阻值为1.64kΩ，第二电感L2的电感值为220μH。第十二极管D10为肖基特二极管，其型号1N5819G。第十电容C10的容值为470μF。第三电感L3的电感值为1μH。第十一电容C11的容值为100μF。
第一稳压电路23设置为接收电荷泵倍压电路22的输出端的电压，并在电荷泵倍压电路22的输出端的电压超过稳压电路稳定供电阈值(其值为5V)时，将该电压由宽范围的直流转化为稳定输出的直流供电电压，来输出给负载(如无线传感装置)使用。直流供电电压的电压值为3.3V。
所述第一稳压电路23的输入端的电压范围2.5-40V，所述第一稳压电路23的输出端的电压大小与外围的第二反馈电阻R4和第一反馈电阻R3的大小比值有关，1.25V为基准电压且保持大小不变，如果两个电阻阻值不变，则第一稳压电路23的输出端的电压为+3.3V。
如图4所示，所述超级电容充电电路241与所述第一稳压电路23的输出端VDC1连接，超级电容充电电路241包括第一、第二、第三开关管Q1、Q2、Q3、迟滞比较器U3A、第一充电二极管D3和限流电阻R1。具体来说，所述超级电容充电电路241包括依次连接的第一充电二极管D3、第十一电阻R11、第二开关管Q2和限流电阻R1，所述第一充电二极管D3与所述第一稳压电路23的输出端连接，所述限流电阻R1与所述超级电容C2的一端连接，所述超级电容C2的另一端接地。其中，第二开关管Q2的漏极与第一充电二极管D3相连，其源极接地，其栅极与第三开关管Q3的漏极相连并通过第五电阻R5接地。第三开关管Q3的源极与所述电荷泵倍压电路22的输出端VCC相连，其栅极通过第六电阻R6连接第一开关管Q1的漏极，并通过第七电阻R7连接所述电荷泵倍压电路22的输出端VCC。第一开关管Q1的源极接地，其栅极与迟滞比较器U3A的输出端连接。所述迟滞比较器U3A的输出端通过第八电阻R8接地，且通过第九电阻R9连接迟滞比较器U3A的正向输入端；所述迟滞比较器U3A的正向输入端连接所述迟滞比较器U3A的电源端，并且通过第十电阻R10连接所述第一稳压电路23的输出端VDC1；所述迟滞比较器U3A的反向输入端与限流电阻R1和超级电容C2的连接点连接，所述迟滞比较器U3A的接地端接地。
其中，第一开关管Q1、第二开关管Q2是N沟道的MOSFET，其型号为NTR4003NT1G，第三开关管Q3是P沟道的MOSFET，其型号为NTR1P02LT1G。第一充电二极管D3是型号为1BH62的肖特基二极管，限流电阻R1的阻值为60Ω，第五电阻R5的阻值为10kΩ，第六电阻R6的阻值为15kΩ,第七电阻R7的阻值为2.88kΩ。迟滞比较器U3A的型号为LM339N。第八电阻R8的阻值为10kΩ，第九电阻R9的阻值为40kΩ，第十电阻R10的阻值为10kΩ。第十一电阻R11的阻值为100Ω，其同样起到了充电限流的作用。
由此，通过上述第一、第二、第三开关管Q1、Q2、Q3的组合可以使得所述电荷泵倍压电路22的输出端VCC端的电压作为对超级电容C2充电的控制信号，在电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压大于稳压电路稳定供电阈值且超级电容C2的两端的电压小于超级电容C2的最低充电截止电压时，第二开关管Q2开启以对超级电容C2充电，否则，停止充电。
也就是说，超级电容充电电路241设置为：在电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压大于稳压电路稳定供电阈值且超级电容C2的两端的电压小于超级电容C2的最低充电截止电压时，利用第一稳压电路23的的输出端的电压对超级电容C2充电，否则，停止充电。
为了保证超级电容充电时能够稳定充电，所以规定稳压电路稳定供电阈值为5V，即VCC端的电压(即第一稳压电路23的输入端的电压)大于5V时作为超级电容充电控制信号，第二开关管Q2开启，以开启充电模式。所述第一稳压电路23作为直流源经过限流电阻R1和第一充电二极管D3来为超级电容C2充电。第一稳压电路23的输出电压Vout为3.3V，第一充电二极管D3的电压降一般为0.2～0.3V，选择超级电容C2时选择额定电压为2.7V以此来控制成本要求和便于选型。那么超级电容C2的最高充电截止电压就可以为3.0V，超级电容C2的最低充电截止电压为2.4V。如果超级电容C2的两端的电压小于最低充电截止电压时，迟滞比较器输出高电平使得Q1导通，Q3导通的条件是在3.3V下调节R7和R6来设置控制Q3的栅极电压VG大于门槛电压0.8V，当稳压模块输入电压Vin＝5V时，那么在这种情况之下，Q2的控制电压为Vin-Vout>1V，所以导致了Q2导通，超级电容进入充电状态。所以三个MOSFET均处于导通状态才可实现充电。整个充电逻辑为：当电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压小于5V，第一稳压电路23的输出端VDC1的电压小于2.4V时，Q1、Q2、Q3均处于关闭状态，超级电容C2停止充电。只有当电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压大于5V，且超级电容C2的两端的电压小于最低充电截止电压2.4V时，Q1、Q2、Q3均处于导通状态，超级电容C2开始充电，其他情况下超级电容C2均停止充电。例如，当电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压小于5V，超级电容C2的两端的电压大于2.4V时，Q1、Q2、Q3均处于关闭状态，超级电容停止充电。当电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压大于5V，超级电容C2的两端的电压大于2.4V时，Q1、Q2、Q3均处于关闭状态，超级电容C2停止充电。
如图4所示，所述超级电容放电电路242的输入端与所述超级电容C2连接，并通过其第四开关管Q4与电荷泵倍压电路22的输出端连接。所述超级电容放电电路242包括第四开关管Q4、LDO线性稳压器U2及其外围电路。具体来说，所述LDO线性稳压器U2的具有IN引脚、EN引脚(即使能引脚)、GND引脚、FB引脚(即反馈引脚)和OUT引脚。所述第四开关管Q4的栅极与电荷泵倍压电路22的输出端VCC连接并通过第十二电阻R12与所述第四开关管Q4的漏极连接，所述第四开关管Q4的漏极与所述LDO线性稳压器U2的EN引脚连接，所述第四开关管Q4的源极接地。所述超级电容C2的未接地的一端与所述LDO线性稳压器U2的IN引脚连接。所述超级电容C2采用彼此并联的第一超级电容C21、第二超级电容C22来制作得到，C21、C22均为额定电压2.7V的常用超级电容，超级电容C2的两端电压IC可以达到3.0V，在设计过程中，本发明采用两个超级电容并联通过升压芯片来得到输出的3.3V的电源电压，其能量高于两个超级电容串联通过降压芯片输出的能量。所述LDO线性稳压器U2的OUT引脚通过第十二电容C12接地，并且通过彼此串联的第十三电阻R13和第十四电阻R14接地；所述LDO线性稳压器U2的FB引脚连接第十三电阻R13和第十四电阻R14的连接点。所述LDO线性稳压器U2的IN引脚还通过第十三电容C13接地。
所述第四开关管Q4为N-MOSFET，其型号为NTR4003NT1G。所述LDO线性稳压器U2的型号为TPS71701DCKR，第十二电阻R12的阻值为60Ω，第十二电容C12的容值为1μF，所述超级电容C2的第三等效电容C23的容值与第十二电容C12的容值相同，同样为1μF。第十三电阻R13的阻值为1.02kΩ，第十四电阻R14的阻值为324kΩ，第十三电容C13的容值为1μF。第二放电二极管D2为肖特基二极管，其型号为1BH62。
LDO线性稳压器U2的工作输入电压范围0.9V～5.5V，其节能模式可以提高低输出功率情况下的工作效率。EN引脚接入第四开关管Q4的漏极，栅极与电荷泵倍压电路22的输出端VCC连接，实现在电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压小于5.0V且超级电容C2的两端的电压大于2.4V时，启动LDO线性稳压器U2给后端负载供电。
也就是说，所述超级电容放电电路242设置为：在电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压小于稳压电路稳定供电阈值(其值为5V)且超级电容C2的两端的电压大于或等于最低充电截止电压(其值为2.4V)时，利用超级电容C2的两端的电压通过所述超级电容放电电路242的LDO线性稳压器U2为负载供电；否则，超级电容放电电路242停止放电。
基于上文所述的非闭合式磁芯的感应取电电源，所实现的基于非闭合式磁芯的感应取电电源的供电方法，其步骤如下：
步骤S1：搭建上文所述的非闭合式磁芯的感应取电电源并接通；
步骤S2：通过磁能采集模块10发送交流感应电压至电荷泵倍压电路22；
步骤S3：利用第一稳压电路23接收电荷泵倍压电路22的输出端的电压，并在电荷泵倍压电路22的输出端的电压超过稳压电路稳定供电阈值(其值为5V)时，稳定输出直流供电电压至负载；反之，第一稳压电路23停止供电；
步骤S4：利用超级电容充电电路241，在电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压大于稳压电路稳定供电阈值且超级电容C2的两端的电压小于超级电容C2的最低充电截止电压时，利用第一稳压电路23的输出电压对超级电容C2充电；否则，超级电容充电电路241停止充电；
步骤S5：利用超级电容放电电路242，在电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压小于稳压电路稳定供电阈值(其值为5V)且超级电容C2的两端的电压大于或等于最低充电截止电压(其值为2.4V)时，利用超级电容C2的两端的电压通过所述超级电容放电电路242的LDO线性稳压器U2为负载供电；否则，超级电容放电电路242停止放电。
具体来说，即使电荷泵倍压电路22的输出端VCC的电压小于稳压电路稳定供电阈值，但是超级电容C2的两端的电压小于最低充电截止电压，则超级电容进入待充电状态。
本发明通过超级电容放电电路242的第四开关管Q4和R12来控制LDO线性稳压器U2的使能引脚，当电荷泵倍压电路的输出电压大于5V时，使能引脚输入低电平，LDO线性稳压器U2停止供电，由第一稳压电路供电。当电荷泵倍压电路的输出电压小于5V时，使能端输入高电平，超级电容的两端电压小于2.4V时，LDO线性稳压器U2停止供电，超级电容的两端电压大于或等于2.4V时，LDO线性稳压器U2开启供电。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其特征在于，包括磁能采集模块和电能管理电路模块，所述磁能采集模块包括非闭合式磁芯线圈组件和谐振电容，所述电能管理电路模块包括依次连接的过流过压保护电路、电荷泵倍压电路、第一稳压电路和超级电容储能模块，所述超级电容储能模块包括依次连接的超级电容充电电路、超级电容和超级电容放电电路，所述超级电容充电电路与第一稳压电路连接，所述超级电容放电电路通过其第四开关管与电荷泵倍压电路连接；所述第一稳压电路和所述超级电容放电电路分别通过第一放电二极管、第二放电二极管与负载连接。
2.根据权利要求1所述的基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其特征在于，所述第一稳压电路设置为接收电荷泵倍压电路的输出端的电压，并在电荷泵倍压电路的输出端的电压超过稳压电路稳定供电阈值时将其转化为稳定输出的直流供电电压，来输出给负载；
所述超级电容充电电路设置为：在电荷泵倍压电路的输出端的电压大于稳压电路稳定供电阈值且超级电容的两端的电压小于超级电容的最低充电截止电压时，利用第一稳压电路的输出端的电压对超级电容充电，否则，停止充电；
所述超级电容放电电路设置为：在电荷泵倍压电路的输出端的电压小于稳压电路稳定供电阈值且超级电容的两端的电压大于或等于最低充电截止电压时，利用超级电容的两端的电压通过所述超级电容放电电路的LDO线性稳压器为负载供电；否则，超级电容放电电路停止放电。
3.根据权利要求2所述的基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其特征在于，所述超级电容充电电路至少包括与第一稳压电路相连的第一充电二极管和限流电阻，所述超级电容放电电路至少包括与所述电荷泵倍压电路相连的第四开关管及通过使能引脚与第四开关管相连的LDO线性稳压器，所述LDO线性稳压器通过其IN引脚与所述超级电容相连。
4.根据权利要求3所述的基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其特征在于，所述超级电容充电电路包括依次连接的第一充电二极管、第二开关管和限流电阻，所述第一充电二极管与所述第一稳压电路的输出端连接，所述限流电阻与所述超级电容的一端连接，所述超级电容的另一端接地；第二开关管的漏极与第一充电二极管相连，其源极接地，其栅极与第三开关管的漏极相连并通过第五电阻接地；第三开关管的源极与所述电荷泵倍压电路的输出端相连，其栅极通过第六电阻连接第一开关管的漏极，并通过第七电阻连接所述电荷泵倍压电路的输出端；第一开关管的源极接地，其栅极与迟滞比较器的输出端连接；所述迟滞比较器的输出端通过第八电阻接地，且通过第九电阻连接迟滞比较器的正向输入端；所述迟滞比较器的正向输入端连接所述迟滞比较器的电源端，并且通过第十电阻连接所述第一稳压电路的输出端；所述迟滞比较器的反向输入端与限流电阻和超级电容的连接点连接，所述迟滞比较器的接地端接地。
5.根据权利要求3所述的基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其特征在于，所述LDO线性稳压器的具有IN引脚、EN引脚、GND引脚、FB引脚和OUT引脚；所述第四开关管的栅极与电荷泵倍压电路的输出端连接并通过第十二电阻与所述第四开关管的漏极连接，所述第四开关管的漏极与所述LDO线性稳压器的EN引脚连接，所述第四开关管的源极接地；所述超级电容的未接地的一端与所述LDO线性稳压器的IN引脚连接；所述LDO线性稳压器的OUT引脚通过第十二电容接地，并且通过彼此串联的第十三电阻和第十四电阻接地；所述LDO线性稳压器的FB引脚连接第十三电阻和第十四电阻的连接点；所述LDO线性稳压器的IN引脚还通过第十三电容接地。
6.根据权利要求1所述的基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其特征在于，所述过流过压保护电路由与磁能采集模块的一个输出端串联的平波电感和并联在磁能采集模块的两个输出端的瞬态抑制二极管组成，所述瞬态抑制二极管的两端为所述过流过压保护电路的两个输出端，且所述过流过压保护电路的其中一个输出端接地。
7.根据权利要求1所述的基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其特征在于，所述电荷泵倍压电路包括按照电流流向依次连接在所述过流过压保护电路的两个输出端之间的第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、第四肖特基二极管、第五肖特基二极管和第五倍压电容，一端连接第一肖特基二极管的负极且另一端接地的第一倍压电容，一端连接第一肖特基二极管的正极且另一端连接第二肖特基二极管的负极的第二倍压电容，一端连接第三肖特基二极管的负极且另一端接地的第三倍压电容，以及一端连接第三肖特基二极管的正极且另一端连接第二肖特基二极管的负极的第四倍压电容。
8.根据权利要求1所述的基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其特征在于，所述第一稳压电路为DCDC稳压电路，其由稳压器及其外围电路组成。
9.根据权利要求8所述的基于非闭合式磁芯的感应取电电源，其特征在于，所述电荷泵倍压电路的输出端直接与所述稳压器的VCC引脚相连，通过第二电阻与所述稳压器的SWC引脚、Ipk引脚和DRV引脚相连，并通过第八电容接地；所述稳压器的Ct引脚通过第九电容接地，所述稳压器的GND引脚直接接地；所述稳压器的IN引脚通过第一反馈电阻接地，并通过第二反馈电阻和第二电感连接所述稳压器的SWE引脚；所述稳压器的SWE引脚还与第十二极管的负极相连，第十二极管的正极接地；所述第二反馈电阻和第二电感的连接点通过第十电容接地，并且与第三电感连接，该第三电感通过第十一电容接地，并且通过第一放电二极管与负载连接。
10.一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源的供电方法，其特征在于，包括：
步骤S1：搭建根据权利要求1-9之一所述的非闭合式磁芯的感应取电电源并接通；
步骤S2：通过磁能采集模块发送交流感应电压至电荷泵倍压电路；
步骤S3：利用第一稳压电路接收电荷泵倍压电路的输出端的电压，并在电荷泵倍压电路的输出端的电压超过稳压电路稳定供电阈值时，稳定输出直流供电电压至负载；反之，第一稳压电路停止供电；
步骤S4：利用超级电容充电电路，在电荷泵倍压电路的输出端的电压大于稳压电路稳定供电阈值且超级电容的两端的电压小于超级电容的最低充电截止电压时，利用第一稳压电路的输出电压对超级电容充电；否则，超级电容充电电路停止充电；
步骤S5：利用超级电容放电电路，在电荷泵倍压电路的输出端的电压小于稳压电路稳定供电阈值且超级电容的两端的电压大于或等于最低充电截止电压时，利用超级电容的两端的电压通过所述超级电容放电电路的LDO线性稳压器为负载供电；否则，超级电容放电电路停止放电。
CN202210603564.9A 2022-05-30 2022-05-30 一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法 Pending CN114865760A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210603564.9A CN114865760A (zh) 2022-05-30 2022-05-30 一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210603564.9A CN114865760A (zh) 2022-05-30 2022-05-30 一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114865760A true CN114865760A (zh) 2022-08-05

Family

ID=82641900

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210603564.9A Pending CN114865760A (zh) 2022-05-30 2022-05-30 一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114865760A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115877904A (zh) * 2023-02-03 2023-03-31 深圳市昂佳科技有限公司 一种线性稳压电路
CN116760159A (zh) * 2023-08-18 2023-09-15 北京国电通网络技术有限公司 电网供电设备和电网供电方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115877904A (zh) * 2023-02-03 2023-03-31 深圳市昂佳科技有限公司 一种线性稳压电路
CN116760159A (zh) * 2023-08-18 2023-09-15 北京国电通网络技术有限公司 电网供电设备和电网供电方法
CN116760159B (zh) * 2023-08-18 2023-11-24 北京国电通网络技术有限公司 电网供电设备和电网供电方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN205490151U (zh) 高效电场感应取电装置
CN201185355Y (zh) 高压线路感应取电装置
CN101478183B (zh) 一种从高压电缆取电的装置和方法
CN114865760A (zh) 一种基于非闭合式磁芯的感应取电电源及其供电方法
CN105226732B (zh) 电缆温度监测装置的取能电源电路
CN208386212U (zh) 一种不间断电源
CN112886718B (zh) 一种谐振补偿式电流互感器感应取电系统
CN113054754A (zh) 一种双线圈内外环型感应取能系统
CN103872787A (zh) 一种新型的高压侧感应取电电源装置
CN109560708A (zh) 一种数控高压直流发生装置及方法
CN206865350U (zh) 一种滤波电路和电源适配器
CN108199462B (zh) 一种交直流转换电路
CN100561816C (zh) 突波电流抑制电路及使用其的电源供应装置
CN214255866U (zh) 一种输电线上双线圈内外环型取能装置
CN109687540A (zh) 一种电线磁场能量采集电源
CN102447313A (zh) 一种利用高压输电导线的在线供电装置及供电方法
CN111082536A (zh) 一种稳定的高压感应取电装置及方法
CN208369292U (zh) 保护电路及具有该保护电路的充电设备
CN207251283U (zh) 一种多能源汇集的功率叠加装置
CN202634034U (zh) 一种公用母线节能回收型蓄电池充放电电源电路结构
CN109638981A (zh) 天线式感应取电装置
CN102769324A (zh) 一种公用母线节能回收型蓄电池充放电电源电路结构
CN215990293U (zh) 一种新型中压交流电源取电电路
CN213402578U (zh) 一种感应取电电路及基于该电路的无源无线测温装置
CN215642442U (zh) 一种控制装置和监控设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination