CN118157498A - 基于同步磁通提取的升压电路及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于同步磁通提取的升压电路及电子设备，该基于同步磁通提取的升压电路，包括：整流电路，所述整流电路的输入端连接磁电发电机的输出端，所述整流电路用于将所述磁电发电机产生的交流电整流成直流电；开关电路，所述开关电路的输入端连接所述整流电路的输出端，所述开关电路用于根据所述整流电路整流后的所述直流电的电流变化趋势及电压控制所述开关电路导通或截止；续流电路，所述续流电路的输入端连接所述开关电路的输出端，所述续流电路的输出端连接至负载，所述续流电路用于在所述开关电路截止时，将所述开关电路内储存的能量转移至所述负载，无需额外的控制电路，简化了整体电路结构，同时降低了控制功耗，使得电路更加高效。

Description

基于同步磁通提取的升压电路及电子设备

技术领域

本申请属于电能收集及转换技术领域，尤其涉及一种基于同步磁通提取的升压电路及电子设备。

背景技术

随着物联网技术的快速发展，无线传感器的应用正变得愈发广泛。但是，这些无线传感器往往需要使用电池供电，因此无线传感器的使用寿命会受到电池容量的限制。因此，相关技术中会通过磁电发电机来为无线传感器供电，然而磁电发电机只能产生低频的低压交流电，需要配合磁电能量收集电路使用。

目前，传统的磁电能量收集电路需要额外的控制电路，增加了整体功耗，无法实现对于磁电输出能量的有效收集以及转换。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于同步磁通提取的升压电路及电子设备，旨在解决相关技术中的磁电能量收集电路收集效率低的问题。

本申请实施例的第一方面提了一种基于同步磁通提取的升压电路，包括：

整流电路，所述整流电路的输入端连接磁电发电机的输出端，所述整流电路用于将所述磁电发电机产生的交流电整流成直流电；

开关电路，所述开关电路的输入端连接所述整流电路的输出端，所述开关电路用于根据所述整流电路整流后的所述直流电的电流变化趋势及电压控制所述开关电路导通或截止；

续流电路，所述续流电路的输入端连接所述开关电路的输出端，所述续流电路的输出端连接至负载，所述续流电路用于在所述开关电路截止时，将所述开关电路内储存的能量转移至所述负载。

其中一实施例中，所述整流电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管；

所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管及所述第四晶体管共同构成一个整流桥，所述整流桥用于将所述磁电发电机产生的交流电整流成直流电。

其中一实施例中，所述第一晶体管以及所述第二晶体管为P型MOS管；

所述第三晶体管以及所述第四晶体管为N型MOS管。

其中一实施例中，所述第一晶体管的漏极连接至所述第二晶体管的栅极，所述第一晶体管的漏极还连接至所述磁电发电机的一端，所述第一晶体管的源极连接至所述第二晶体管的源极；

所述第二晶体管的栅极连接至所述第一晶体管的源极，所述第二晶体管的栅极还连接至所述电感的一端；

所述第三晶体管的漏极连接至所述第四晶体管的栅极，所述第三晶体管的漏极还连接至所述磁电发电机的一端，所述第三晶体管的源极接地；

所述第四晶体管的漏极连接至所述第三晶体管的栅极，所述第四晶体管的源极接地。

其中一实施例中，所述开关电路包括第五晶体管以及电感，所述第五晶体管为N型MOS管，所述第五晶体管用于控制开关电路的导通和截止，所述电感用于储存能量以及调节所述开关电路的电压和电流。

其中一实施例中，所述第五晶体管的栅级连接所述电感的一端，所述第五晶体管的栅级还连接至所述整流电路的输出的一端，所述第五晶体管的漏极连接所述电感的另一端，所述第五晶体管的源极连接至所述第三晶体管的源极以及所述第四晶体管的源极。

其中一实施例中，所述续流电路包括第一二极管以及滤波电容；

所述第一二极管的阳极连接所述第五晶体管的漏极，所述第一二极管的阴极与所述滤波电容的一端连接，所述第一二极管的阴极还连接至所述负载的一端；

所述滤波电容的另一端连接所述负载的另一端，所述滤波电容的另一端与所述负载的另一端均接地。

其中一实施例中，所述开关电路还用于在所述第五晶体管导通时，将所述磁电发电机中的能量转移至所述储存在电感中。

其中一实施例中，所述开关电路还用于在所述第五晶体管截止时，将所述电感中储存的能量经过所述续流电路转移至所述负载。

本申请实施例的第二方面提了一种电子设备，包括一个磁电发电机和如上所述的基于同步磁通提取的升压电路。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：采用整流桥替代传统二极管，有效减小了整流过程中的前向电压降，从而大幅降低了功耗。其次，无需额外的控制电路，简化了整体电路结构，同时降低了控制功耗，使得电路更加高效。通过有效回收直流转换过程中产生的寄生参数能量，进一步降低了功耗，提高了能量利用效率。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的磁电发电机的等效电路图；

图2为本申请一实施例提供的升压电路的模块示意图；

图3为本申请一实施例提供的升压电路的具体电路图；

图4为本申请一实施例提供的电子设备模块示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

随着物联网技术的快速发展，无线传感器的应用正变得愈发广泛。但是，这些无线传感器往往需要使用电池供电，因此无线传感器的使用寿命会收到电池容量的限制。因此，相关技术中会通过磁电发电机来为无线传感器供电。

然而，现有的磁电能量收集电路普遍存在结构复杂、成本高昂、能耗较大等问题。传统的整流器和DC-DC转换器需要额外的控制电路，增加了整体功耗。采用直接AC-DC拓扑实现升压和能量转换虽然可以避免使用额外的控制电路，但仍然需要更多的开关和复杂的控制电路，如极性检测器，增加了电路的实现难度。此外，对于同步磁通提取电路，如何在保持低功耗的同时实现其稳定运行，依然是一个待解决的关键技术问题。因此，迫切需要研究和开发一种结构简单、成本低廉、能效高的自供电同步磁通提取升压电路。

本申请实施例提供的升压电路以及电子设备，采用整流桥替代传统二极管，有效减小了整流过程中的前向电压降，从而大幅降低了功耗。其次，无需额外的控制电路，简化了整体电路结构，同时降低了控制功耗，使得电路更加高效。通过有效回收直流转换过程中产生的寄生参数能量，进一步降低了功耗，提高了能量利用效率。

图1示出了磁电发电机100的等效电路示意图。如图1所示，磁电发电机100的等效电路图。如图1所示，磁电发电机100包括：感应电压AC、电阻R1以及电感L1。其中，感应电压AC、电阻R1与电感L1依次串联。

可以理解的是，感应电压AC用于模拟磁电发电机100的输出。磁电发电机100能够产生低频的低压交流电，且其输出的交流带电为毫瓦级。通过感应电压AC模拟磁电发电机100的输出，可以对升压电路进行各种实验和测量，以评估升压电路的工作状态和性能。

可以理解的是，电阻R1表示磁电发电机100的内部电阻。磁电发电机100的内部电阻指的是磁电发电机100内部的电阻元件，是由发电机的线圈、导线和连接器等构成的，可以用来描述磁电发电机100内部电路中的电阻特性。

可以理解的是，电感L1表示磁电发电机100的自感以及线圈的感应电感。

可以理解的是，磁电发电机100能够将机械振动或压力变化转换为电流输出。

图2示出了本申请一实施例提供的升压电路200的模块示意图。如图2所示，升压电路200包括整流电路210、开关电路220以及续流电路230，其中整流电路210连接至磁电发电机100的输出端，续流电路230连接至负载300。

在本申请实施例中，整流电路210的输入端连接磁电发电机100的输出端，整流电路210用于将磁电发电机100产生的交流电整流成直流电。

在本申请实施例中，开关电路220的输入端连接整流电路210的输出端，开关电路220用于根据整流电路210整流后的直流电的电流变化趋势及电压控制开关电路导通或截止。

在本申请实施例中，续流电路230的输入端连接开关电路220的输出端，续流电路230的输出端连接至负载，续流电路230用于在开关电路200截止时，将开关电路220内储存的能量转移至负载300。

图3为本申请一实施例提供的升压电路的具体电路图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

如图3所示，整流电路210包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3及第四晶体管M4。负载300包括负载电阻RL。

在本申请实施例中，第一晶体管M1的漏极连接至第二晶体管M2的栅极，第一晶体管M1的漏极还连接至磁电发电机100的一端，第一晶体管M1的源极连接至第二晶体管M2的源极。第二晶体管M2的栅极连接至第一晶体管M1的源极，第二晶体管M2的栅极还连接至电感L2的一端。第三晶体管M3的漏极连接至第四晶体管M4的栅极，第三晶体管M3的漏极还连接至磁电发电机100的一端，第三晶体管M3的源极接地。第四晶体管M4的漏极连接至第三晶体管M3的栅极，第四晶体管M4的源极接地。

在本申请实施例中，第一晶体管M1以及第二晶体管M2为P型MOS管，第三晶体管M3以及第四晶体管M4为N型MOS管。

可以理解的是，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3及第四晶体管M4共同构成一个整流桥，整流桥用于将磁电发电机100产生的交流电整流成直流电。

在本申请实施例中，开关电路220包括第五晶体管M5以及电感L2。可以理解的是，第五晶体管M5为N型MOS管，第五晶体管M5用于控制开关电路220的导通和截止，电感L2用于储存能量以及调节开关电路220的电压和电流。

在本申请实施例中，第五晶体管M5的栅极连接电感L2的一端，第五晶体管M5的栅极还连接至整流电路210的输出的一端，第五晶体管M5的漏极连接电感L2的另一端，第五晶体管M5的源极连接至第三晶体管M3的源极以及第四晶体管M4的源极。

在本申请实施例中，续流电路230包括第一二极管D1以及滤波电容CL。第一二极管D1的阳极连接第五晶体管M5的漏极，第一二极管D1的阴极与滤波电容CL的一端连接，第一二极管D1的阴极还连接至负载电阻RL的一端。滤波电容CL的另一端连接负载电阻RL的另一端，滤波电容CL的另一端与负载电阻RL的另一端均接地。

在本申请实施例中，开关电路220还用于在第五晶体管M5导通时，将磁电发电机100中的能量转移至储存在电感L2中。

在本申请实施例中，开关电路220还用于在第五晶体管M5截止时，将电感L2中储存的能量经过续流电路转移至负载电阻RL。

在本申请实施例中，根据磁电发电机100的感应电压AC输出幅值，开关电路220的工作可以分为四个阶段。可以理解的是，可以AC输出幅值设置第一阈值、第二阈值、第三阈值。其中，第一阈值可以设置为低于第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3及第四晶体管M4的导通阈值，例如，第一阈值可以设置为0.2至0.3V。第二阈值可以设置为高于第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3及第四晶体管M4的导通阈值，且经过整流电路210整流后的整流电压低于第五晶体管M5的导通阈值，例如1.4至1.5V。

第一阶段，当磁电发电机100的感应电压AC输出幅值小于第一阈值时，开关电路220处于关闭状态，无法导通。这意味着整流电路210中的电流无法通过开关电路220流向负载电阻。因此，在这种情况下，磁电发电机100处于开路状态，无法进行能量收集，导致输出电压为0V。

可以理解的是，第一阶段的目的是在磁电发电机100输出的交流电信号幅值小于第一阈值时，保持整个升压电路200的断路状态。这样做的目的是确保在电压幅值较低时不会导致电路启动，从而避免了能量的浪费和不必要的功耗。同时，这种断路状态也保护了后续电路组件不受过低电压的影响，确保了升压电路200的稳定性和可靠性。

第二阶段，当磁电发电机100的感应电压AC输出幅值大于第一阈值但小于第二阈值时，整流电路210中的电流开始导通。然而，此时整流电压还不足以使开关电路220中的第五晶体管M5导通。因此，磁电发电机100的输出电流会通过整流电路210、开关电路220中的电感L2和第一二极管D1，流向负载电阻RL。由于整流电压的不足，输出电压略低于磁电发电机100的AC输出电压幅值。这一阶段的关键在于利用整流电路210中的导通电流为负载电阻RL提供能量，同时确保开关电路220中的第五晶体管M5保持截止状态，以避免其导通。

可以理解的是，第二阶段的目的是在磁电发电机100的感应电压AC输出幅值大于第一阈值但小于第二阈值时，实现对输出电流的导通控制。通过整流电路210将磁电发电机100产生的交流电整流成直流电，然后通过开关电路220控制导通，将直流电流传送到负载电阻RL。这一阶段的主要目的是为负载电阻RL提供能量，并确保开关电路中的第五晶体管M5保持截止状态，以避免提前导通。

第三阶段，当磁电发电机100的感应电压AC输出幅值大于第二阈值但是小于第三阈值时，开关电路220中的第五晶体管M5导通。随着第五晶体管M5导通，电感L2中的电流开始上升，并储存能量。当电流达到一定阈值时，第五晶体管M5截止，导致电感L2中的能量释放。由于电感L2的特性，能量以高频振荡的形式传递到负载电阻RL，从而实现输出电压的升压。这一过程不断重复，使得输出电压能够稳定在高于磁电发电机100原始输出电压的水平，提高了能量转换的效率和升压功能。

可以理解的是，第三阶段的目的是在磁电发电机100输出的交流电信号幅值大于第二阈值但小于第三阈值时，利用Boost电路拓扑实现输出电压高于输入电压幅值的功能。在这一阶段，开关电路220导通，使得磁电发电机100的输出电流通过续流电路，并且电路进入自激高频振荡状态。通过Boost电路的工作原理，电路能够将输出电压升压至高于输入电压幅值，从而实现了电压的升压功能。这样做的目的是确保在电压幅值适中时，仍然能够有效地提取能量并实现输出电压的升压，以满足后续电路对电能的需求。

可以理解的是，Boost电路是一种直流-直流升压转换器，用于将输入电压升高到更高的输出电压。Boost电路的工作原理是通过周期性地切换开关元件(第五晶体管M5)来改变电感中的电流，从而在电感中存储能量。当开关元件导通时，电感L2中的电流增加，导致输出电压上升；当开关元件截止时，电感L2中的储能电流通过第一二极管D1回路释放到滤波电容CL中，以维持输出电压的稳定。Boost电路可以实现将输入电压升压至输出电压的几倍。

第四阶段，当磁电发电机100的感应电压AC输出幅值大于第三阈值时，磁电发电机100的输出电流持续为晶体管M5的栅极充电。在这种情况下，输出电压较高，充电电流也比之前更强。此时，磁电发电机100的感应电压AC、电阻R1、电感L1、第一晶体管M1(或第二晶体管M2，取决于导通状态)、电感L2、第五晶体管M5、第四晶体管M4(或第三晶体管M3，取决于导通状态)至感应电压AC，形成一个回路。随着磁电发电机100的输出电流不断上升，电感L2中的电流也持续增加。当电感L2中的电流斜率从正值变为负值时，表示磁电发电机100感应的交流电压即将过零点。此时，升压电路200会自动进入高频振荡状态。电感L2储存的能量会迅速转移到负载电阻RL上，直到磁电发电机100的输出电流降至零。这一过程中，输出电压会显著高于磁电发电机100原始输出电压的幅值。在振荡过程中，晶体管M5的开关动作会根据磁电发电机100感应电压的极性变化而迅速调整，以降低磁电发电机100输出的无功功率。这样，升压电路200不仅能够实现同步磁通提取，还能够在振荡过程中稳定地提供高电压输出。

可以理解的是，第四阶段的目的是在磁电发电机100输出的交流电信号幅值大于第三阈值时，通过自激高频振荡状态实现输出电压显著高于输入电压幅值的功能。在这一阶段，磁电发电机100的输出电流持续为开关电路220的导通提供能量，使得电路保持在自激高频振荡状态。通过Boost电路的拓扑结构，能够将磁电发电机输出的电能有效地转移到负载电阻RL上，且输出电压显著高于输入电压幅值。这一过程的目的是在磁电发电机100输出电流即将降至零时，将电路中储存的能量快速转移到负载电阻RL上，以确保电路能够持续稳定地提供高电压输出，并且有效地利用磁电发电机100产生的能量。

可以理解的是，在设置电感L2时，需要将电感L2的值设置为高于磁电发电机100的电感L1一个数量级的值。通过这样的设置，升压电路200可以更有效地提取并转换磁电发电机100产生的电能，从而提高能量收集的效率。此外，通过同步磁通提取技术，升压电路200能够在实现电能收集的同时，增强其升压功能。这意味着升压电路200可以在保持高效能量收集的同时，将输出电压升高，满足负载的需求。

图4示出了本申请一实施例提供的电子设备10的模块示意图。如图4所示，电子设备10包括磁电发电机100、升压电路200以及负载300。其中，升压电路200包括整流电路210、开关电路220以及续流电路230。

可以理解的是，电子设备10可以实现对低电压交流电的高效转换和升压，使得磁电发电机100产生的电能能够被有效利用。电子设备10可以是无线传感器节点，并具有自供电以及同步磁通提取升压的功能，可以有效的提高无线传感器节点的使用寿命。

可以理解是，本申请实施例提供的升压电路200以及电子设备10，能够在低电压条件下有效收集和转换磁电发电机产生的能量，将其升压至适合电子设备10运行所需的高电压。通过采用同步磁通提取技术，该升压电路200能够优化能量收集和转换效率，提高能源利用率。能够为电子设备10提供持续稳定的电力供应，延长其使用寿命，并减少对传统电池的依赖，从而降低维护成本和环境负担。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能模块或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块、模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中，上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。另外，各功能模块、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中模块、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于同步磁通提取的升压电路，其特征在于，包括：

整流电路，所述整流电路的输入端连接磁电发电机的输出端，所述整流电路用于将所述磁电发电机产生的交流电整流成直流电；

开关电路，所述开关电路的输入端连接所述整流电路的输出端，所述开关电路用于根据所述整流电路整流后的所述直流电的电流变化趋势及电压控制所述开关电路导通或截止；

续流电路，所述续流电路的输入端连接所述开关电路的输出端，所述续流电路的输出端连接至负载，所述续流电路用于在所述开关电路截止时，将所述开关电路内储存的能量转移至所述负载。

2.如权利要求1所述的基于同步磁通提取的升压电路，其特征在于，所述整流电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管；

所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管及所述第四晶体管共同构成一个整流桥，所述整流桥用于将所述磁电发电机产生的交流电整流成直流电。

3.如权利要求2所述的基于同步磁通提取的升压电路，其特征在于，所述第一晶体管以及所述第二晶体管为P型MOS管；

所述第三晶体管以及所述第四晶体管为N型MOS管。

4.如权利要求3所述的基于同步磁通提取的升压电路，其特征在于，所述第一晶体管的漏极连接至所述第二晶体管的栅极，所述第一晶体管的漏极还连接至所述磁电发电机的一端，所述第一晶体管的源极连接至所述第二晶体管的源极；

所述第二晶体管的栅极连接至所述第一晶体管的源极，所述第二晶体管的栅极还连接至所述电感的一端；

所述第三晶体管的漏极连接至所述第四晶体管的栅极，所述第三晶体管的漏极还连接至所述磁电发电机的一端，所述第三晶体管的源极接地；

所述第四晶体管的漏极连接至所述第三晶体管的栅极，所述第四晶体管的源极接地。

5.如权利要求4所述的基于同步磁通提取的升压电路，其特征在于，所述开关电路包括第五晶体管以及电感，所述第五晶体管为N型MOS管，所述第五晶体管用于控制开关电路的导通和截止，所述电感用于储存能量以及调节所述开关电路的电压和电流。

6.如权利要求5所述的基于同步磁通提取的升压电路，其特征在于，所述第五晶体管的栅级连接所述电感的一端，所述第五晶体管的栅级还连接至所述整流电路的输出的一端，所述第五晶体管的漏极连接所述电感的另一端，所述第五晶体管的源极连接至所述第三晶体管的源极以及所述第四晶体管的源极。

7.如权利要求6所述的基于同步磁通提取的升压电路，其特征在于，所述续流电路包括第一二极管以及滤波电容；

所述第一二极管的阳极连接所述第五晶体管的漏极，所述第一二极管的阴极与所述滤波电容的一端连接，所述第一二极管的阴极还连接至所述负载的一端；

所述滤波电容的另一端连接所述负载的另一端，所述滤波电容的另一端与所述负载的另一端均接地。

8.如权利要求5所述的基于同步磁通提取的升压电路，其特征在于，所述开关电路还用于在所述第五晶体管导通时，将所述磁电发电机中的能量转移至所述储存在电感中。

9.如权利要求8所述的基于同步磁通提取的升压电路，其特征在于，所述开关电路还用于在所述第五晶体管截止时，将所述电感中储存的能量经过所述续流电路转移至所述负载。

10.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个磁电发电机和如权利要求1至9中任一项所述的基于同步磁通提取的升压电路。