CN115940666A - 一种自适应导通的p-sshi电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应导通的P‑SSHI电路，涉及能量收集领域，该自适应导通的P‑SSHI电路包括：压电电源电路，用于供给交流电；输出级电路，用于将交流电转化为直流电输出；P‑SSHI主电路，用于加速压电电源电路两端电压反向；与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)P‑SSHI主电路使用同步开关电感技术使得压电电源电路过零点能够迅速放电，将两端电压迅速反向，减少需要反向充电的时间，增加输出级电路获取的能量；(2)控制电路控制P‑SSHI主电路，可以实现自选择开关管的导通，自适应转换导通，控制比较简单；(3)电路的控制比较简单，使用的模块较少，晶体管数目不多，占用面积较小，能实现比较好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集领域，具体是一种自适应导通的P-SSHI电路。
背景技术
能量收集系统可以收集周围环境中的能量，例如振动、电磁、热能等能量，将这些往往被忽略的能量收集起来，经过处理可以给低功耗电路供电，实现绿色环保的能源利用方式，具有较好的前景。而作为整个能量收集系统的输入级，AC-DC模块是必不可少的。AC-DC模块作为电路中非常重要的组成部分，承担着将交流电压或电流源转换成直流的输出，供给电路中其他的子模块，例如微处理器、ADC、DAC以及其他如Buck、Boost等DC-DC模块，以得到我们需要的输出电压。
请参阅图1，2002年Ottman等人提出了标准的能量管理系统，并使用二极管全桥整流电路作为电路的输入级，该结构简单，但是能量收集的效率较低，有较多的能量损耗在电压翻转的过程中，得到的开路电压较低；2010年Ramadass提出了基于同步开关电感技术(SSHI)的压电能量收集系统，使用开关和电感进行配合，在电流过零点导通开关管，形成RLC谐振回路，让压电元件寄生电容迅速放电使电压反相翻转，在该电压反相到最大值时，需要精准断开开关，此时反向的电流源仅需要小部分的能量用于充电就可以达到整流电压，极大提高了电路收集效率。
目前的P-SSHI电路技术领域中，开关管的导通选择是D触发器的输出状态来选择的，通过数字模块控制，稳定性较好，并能够精确地控制开关管，但是目前大部分D触发器都连接成T触发器的形式，即每来一次过零点，输出状态Q翻转来选择开关管，该方式与电路的初始状态有关，不能够自适应转换，需要改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应导通的P-SSHI电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种自适应导通的P-SSHI电路，包括：
压电电源电路，用于供给交流电；
输出级电路，用于将交流电转化为直流电输出；
P-SSHI主电路，用于在交流电过零点时，加速压电电源电路两端电压反向；
控制电路，用于根据交流电信息，控制P-SSHI主电路工作；
压电电源电路连接P-SSHI主电路、控制电路、输出级电路，控制电路连接P-SSHI主电路。
作为本发明再进一步的方案：压电电源电路包括电流源Ip、压电寄生电容Cp、电阻Rp，电流源Ip、压电寄生电容Cp、电阻Rp并联。
作为本发明再进一步的方案：输出级电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容CL、电阻RL，二极管D1的正极连接二极管D3的负极，二极管D2的正极连接二极管D4的负极，二极管D1的负极连接二极管D2的负极、电容CL的一端、电阻RL的一端，二极管D3的正极连接二极管D4的正极、电容CL的另一端、电阻RL的另一端。
作为本发明再进一步的方案：P-SSHI主电路包括电感L1、二极管DN、二极管DP、开关管SN、开关管SP，电感L的一端连接压电电源电路的一端，电感L的另一端连接二极管DN的正极、二极管DP的负极，二极管DN的负极连接开关管SN的漏极，二极管DP的正极连接开关管SP的漏极，开关管SN的栅极连接控制电路，开关管SP的栅极连接主控电路，开关管SN的源极连接开关管SP的源极，压电电源电路的另一端。
作为本发明再进一步的方案：控制电路包括放大器ZCD1、放大器ZCD2、或非门Y、D触发器DFT、高转低电平移位器H2L Level Shifter、电平移位器Level Shifter，控制模块Contral Circuit，放大器ZCD1的同相端接0电压，放大器ZCD1的反相端连接压电电源电路的一端、高转低电平移位器H2L Level Shifter的输入端，放大器ZCD2的同相端接0电压，放大器ZCD2的反相端连接压电电源电路的另一端，放大器ZCD1的输出端连接或非门Y的输入端一端，放大器ZCD2的输出端连接或非门Y的输入端另一端，或非门Y的输出端连接D触发器DFT的CLK引脚，高转低电平移位器H2L Level Shifter的输出端连接D触发器DFT的D引脚，D触发器DFT的Q引脚连接控制模块Contral Circuit的输入端，控制模块Contral Circuit的输出端连接电平移位器Level Shifter的输入端，电平移位器的输出端一端连接开关管SN的栅极，电平移位器的输出端另一端连接开关管SP的栅极。
作为本发明再进一步的方案：控制电路还包括线性稳压源LDO，线性稳压源LDO的输入端引入输出级电路的输出电压VRECT，线性稳压源LDO的输出端输出电压VDD为控制电路供电。
作为本发明再进一步的方案：电容Cp为无极性电容。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)P-SSHI主电路使用同步开关电感技术使得压电电源电路过零点能够迅速放电，将两端电压迅速反向，减少需要反向充电的时间，增加输出级电路获取的能量；
(2)控制电路控制P-SSHI主电路，可以实现自选择开关管的导通，自适应转换导通，控制比较简单；
(3)电路的控制比较简单，使用的模块较少，晶体管数目不多，占用面积较小，能实现比较好的效果。
附图说明
图1为传统全桥整流的电路图。
图2为一种自适应导通的P-SSHI电路的电路图。
图3为传统全桥整流的输出波形图。
图4为一种自适应导通的P-SSHI电路的输出波形图。
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，一种自适应导通的P-SSHI电路，包括：
压电电源电路，用于供给交流电；
输出级电路，用于将交流电转化为直流电输出；
P-SSHI主电路，用于在交流电过零点时，加速压电电源电路两端电压反向；
控制电路，用于根据交流电信息，控制P-SSHI主电路工作；
压电电源电路连接P-SSHI主电路、控制电路、输出级电路，控制电路连接P-SSHI主电路。
在具体实施例中：请参阅图3和图4，传统全桥整流的输出波形如图3所示，本申请的输出波形如图4所示。
在本实施例中：请参阅图2和图4，压电电源电路包括电流源Ip、压电寄生电容Cp、电阻Rp，电流源Ip、压电寄生电容Cp、电阻Rp并联。
压电电源电路模拟压电元件的输出特性，电流源Ip输出交流电。
在本实施例中：请参阅图2和图4，输出级电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容CL、电阻RL，二极管D1的正极连接二极管D3的负极，二极管D2的正极连接二极管D4的负极，二极管D1的负极连接二极管D2的负极、电容CL的一端、电阻RL的一端，二极管D3的正极连接二极管D4的正极、电容CL的另一端、电阻RL的另一端。
VP-VN＝VRECT+2VD时，二极管D1、D4导通，形成电流源Ip、二极管D1、电容CL和电阻RL、二极管D4、GND(接地点)的充电回路，并为负载供电；VP-VN＝-(VRECT+2VD)时，二极管D2、D3导通，形成电流源Ip、二极管D2、电容CL和电阻RL、二极管D3、GND的充电回路，并为负载供电；即电路作为整流模块，将交变的电压转换为直流电压，为其它负载模块供电。
在本实施例中：请参阅图2和图4，P-SSHI主电路包括电感L1、二极管DN、二极管DP、开关管SN、开关管SP，电感L的一端连接压电电源电路的一端，电感L的另一端连接二极管DN的正极、二极管DP的负极，二极管DN的负极连接开关管SN的漏极，二极管DP的正极连接开关管SP的漏极，开关管SN的栅极连接控制电路，开关管SP的栅极连接主控电路，开关管SN的源极连接开关管SP的源极，压电电源电路的另一端。
在电流源Ip的电流在由正变负(VP大于VN为正，反之为负)的过零点时，开关管SN、SP的栅极电位均为高，此时SN导通，SP关断，由电容Cp、电感L、二极管DN和开关管SN形成RLC放电回路，是零输入响应，当该回路满足
时，电路将进行振荡放电，电容Cp上存储的电荷通过电感L、二极管DN、开关管SN回路释放，同时使Cp两端的电压迅速减小并反向，此流过电感L的电流是正向的，且是先增大后减小，当电感电流减小到零时，电容Cp上的电压反向到最大值，这时由于二极管DN的正方向与电感电流的方向是相反的，所以在电感电流减小到零时二极管DN关断，电感电流也不会出现反向的情况，能够自动退出过零期间的翻转周期，接下来电流源Ip只需要向电容Cp充较少的能量就可以使电压达到输出级二极管对的开启电压。上述是电流源Ip由正变负的过零点，由负变正的过零点则与此类似。
在本实施例中：请参阅图2和图4，控制电路包括放大器ZCD1、放大器ZCD2、或非门Y、D触发器DFT、高转低电平移位器H2L Level Shifter、电平移位器Level Shifter，控制模块Contral Circuit，放大器ZCD1的同相端接0电压，放大器ZCD1的反相端连接压电电源电路的一端、高转低电平移位器H2L Level Shifter的输入端，放大器ZCD2的同相端接0电压，放大器ZCD2的反相端连接压电电源电路的另一端，放大器ZCD1的输出端连接或非门Y的输入端一端，放大器ZCD2的输出端连接或非门Y的输入端另一端，或非门Y的输出端连接D触发器DFT的CLK引脚，高转低电平移位器H2L Level Shifter的输出端连接D触发器DFT的D引脚，D触发器DFT的Q引脚连接控制模块Contral Circuit的输入端，控制模块ContralCircuit的输出端连接电平移位器Level Shifter的输入端，电平移位器的输出端一端连接开关管SN的栅极，电平移位器的输出端另一端连接开关管SP的栅极。
以电流源Ip由正变负的过零点举例，放大器ZCD1的反相输入端VP一直比零高，所以放大器ZCD1的输出端输出0(低电平)，而放大器ZCD2的反相输入端VN由-VD(VD为二极管导通压降)慢慢减小，使得放大器ZCD2的输出由1(高电平)变为0(低电平)，通过或非门Y，得到一个上升沿脉冲，该脉冲作为D触发器DFT的CLK输入端，而VP经过电平移位器H2L LevelShifter得到标准的高电平或者低电平VP_H2L，而在电流源Ip由正变负时刻，VP_H2L则为高电平，在CP的上升沿采集到该信号后会将Q置1(高电平)，代表接下来的时刻开启SN管，同理可知Q＝0时开启SP。Q被置1后，输入到控制模块Control Circuit，Control Circuit通过Q的高低来自动选择哪个开关管开启或关断，并输出控制电平SN_BUFF、SP_BUFF到电平移位器Level Shifter，得到SN、SP的栅极控制信号，使开关管SN的栅源电压在电压翻转周期可以维持在较恒定的值，得以最大化电容Cp的最大反向电压。开启开关管SN管，形成电容Cp、电感L、二极管DN、开关管SN的RLC振荡放电回路。这时，电容Cp两端电压反向到最大值，电流源Ip只需要使用较少的能量使|VP-VN|充电到VRECT+2VD，可以在输出级得到更多的能量。上述是电流源Ip由正变负的过零点工作情况，而电流源Ip由负变正的情况与此类似。
在本实施例中：请参阅图2和图4，控制电路还包括线性稳压源LDO，线性稳压源LDO的输入端引入输出级电路的输出电压VRECT，线性稳压源LDO的输出端输出电压VDD为控制电路供电。
输出直流电VRECT供给线性稳压源LDO，输出稳定电压供给控制电路各器件。
在本实施例中：请参阅图2和图4，电容Cp为无极性电容。
无极性电容匹配电流源Ip输出交流电。
本发明的工作原理是：压电电源电路供给交流电，输出级电路将交流电转化为直流电输出，P-SSHI主电路在交流电过零点时，加速压电电源电路两端电压反向，控制电路根据交流电信息，控制P-SSHI主电路工作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种自适应导通的P-SSHI电路，其特征在于：
该自适应导通的P-SSHI电路包括：
压电电源电路，用于供给交流电；
输出级电路，用于将交流电转化为直流电输出；
P-SSHI主电路，用于在交流电过零点时，加速压电电源电路两端电压反向；
控制电路，用于根据交流电信息，控制P-SSHI主电路工作；
压电电源电路连接P-SSHI主电路、控制电路、输出级电路，控制电路连接P-SSHI主电路。
2.根据权利要求1所述的自适应导通的P-SSHI电路，其特征在于，压电电源电路包括电流源Ip、压电寄生电容Cp、电阻Rp，电流源Ip、压电寄生电容Cp、电阻Rp并联。
3.根据权利要求1所述的自适应导通的P-SSHI电路，其特征在于，输出级电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容CL、电阻RL，二极管D1的正极连接二极管D3的负极，二极管D2的正极连接二极管D4的负极，二极管D1的负极连接二极管D2的负极、电容CL的一端、电阻RL的一端，二极管D3的正极连接二极管D4的正极、电容CL的另一端、电阻RL的另一端。
4.根据权利要求1所述的自适应导通的P-SSHI电路，其特征在于，P-SSHI主电路包括电感L1、二极管DN、二极管DP、开关管SN、开关管SP，电感L的一端连接压电电源电路的一端，电感L的另一端连接二极管DN的正极、二极管DP的负极，二极管DN的负极连接开关管SN的漏极，二极管DP的正极连接开关管SP的漏极，开关管SN的栅极连接控制电路，开关管SP的栅极连接主控电路，开关管SN的源极连接开关管SP的源极，压电电源电路的另一端。
5.根据权利要求4所述的自适应导通的P-SSHI电路，其特征在于，控制电路包括放大器ZCD1、放大器ZCD2、或非门Y、D触发器DFT、高转低电平移位器H2L Level Shifter、电平移位器LevelShifter，控制模块ContralCircuit，放大器ZCD1的同相端接0电压，放大器ZCD1的反相端连接压电电源电路的一端、高转低电平移位器H2L Level Shifter的输入端，放大器ZCD2的同相端接0电压，放大器ZCD2的反相端连接压电电源电路的另一端，放大器ZCD1的输出端连接或非门Y的输入端一端，放大器ZCD2的输出端连接或非门Y的输入端另一端，或非门Y的输出端连接D触发器DFT的CLK引脚，高转低电平移位器H2L Level Shifter的输出端连接D触发器DFT的D引脚，D触发器DFT的Q引脚连接控制模块Contral Circuit的输入端，控制模块Contral Circuit的输出端连接电平移位器Level Shifter的输入端，电平移位器的输出端一端连接开关管SN的栅极，电平移位器的输出端另一端连接开关管SP的栅极。
6.根据权利要求5所述的自适应导通的P-SSHI电路，其特征在于，控制电路还包括线性稳压源LDO，线性稳压源LDO的输入端引入输出级电路的输出电压VRECT，线性稳压源LDO的输出端输出电压VDD为控制电路供电。
7.根据权利要求2所述的自适应导通的P-SSHI电路，其特征在于，电容Cp为无极性电容。
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