CN203722575U - 一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路 - Google Patents

一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路 Download PDF

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    • Y02E70/30Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Abstract

本实用新型涉及光纤供能技术领域,尤其涉及一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路。包括光伏电池、前级DC-DC模块、储能模块、开关、电源监测模块、升降压DC-DC模块和低功耗微处理器;所述开关包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;所述低功耗微处理器具有内部AD模块、第一内部IO口、第二内部IO口和供电端口;光伏电池的输出端通过前级DC-DC模块分别与低功耗微处理器的内部AD模块、储能模块、第一开关以及第三开关相连;第一开关的输出端与电源监测模块一端相连,电源监测模块另一端连接至第二开关的电压控制端。该电路效率高、成本低、电源管理智能,适用于低功耗实时用电系统,也适用于高功耗间断用电系统。

Description

一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路
技术领域
本实用新型涉及光纤供能技术领域,尤其涉及一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路。
背景技术
在供能系统许多应用中,远端的传感器、变频器和其它通讯设备经常会受到高频噪声、电磁干扰、磁场或高电压的影响,这些环境会影响电子设备的运行及性能。光纤供能能够成功解决这些问题。所谓光纤供能,就是利用激光器,通过光纤传输,经过接收端的光电转换实现供能。由于光纤的使用,基于这种技术的系统具备电磁干扰免疫,耐腐蚀以及高频信号和闪电影响不敏感等性质。此外,光纤的体积远小于铜电缆,因此光纤供能技术适宜长距离传输及操作。
在电荷敏感的环境中,任何电缆断裂导致的火花都是极其危险的。光纤不会产生任何火花,因此光纤供能技术特别适合应用于这些特殊的环境。
一般来说,光纤供能系统包括控制基站、光纤链接部分和远端单元三部分。当然,实际的系统会根据不同的应用而改变。
第一套光纤供能系统是由贝尔实验室的DeLoach和他的同事建立的,他们架构了一套远程光供能声音警报系统。在光纤供能领域中,具有里程碑意义的工作由贝尔实验室Miller等人在1979年完成。那是一套控制基站和光供电远端之间的双向语音传输系统,系统传输距离达到1.1公里。那套双向语音通信系统使用脉冲调制技术传输,传输延迟为11.5微秒。数据信号作为交流部分叠加在直流部分上,然后传输到光供能远端实现双向传输;系统的光探测器进行数据检测和光电转换。
由于系统只有数毫瓦可用光功率,早期光纤供能系统只能处理非常低速度的模拟或数字光信号。在20世纪80年代末,一套基于光纤供能技术的波分复用单向光互连系统被实现。在这套系统中,远端接收机在传输速度为22.SMbpS时的功耗只有2.6mw,供电光能与数据光信号之间几乎没有光串扰。2007年,一套具有30万像素和100MbpS传输速度的远程光供电实时视频传感系统成功被德国卡尔斯鲁厄大学高频及量子电子所实现,这个系统在时钟频率为12.5MHZ时,只消耗40mW。它的最大优点是工作协议,使得在光纤供能不足时也能让整个系统间断性工作。
然而以上所说的光纤供能系统都存在供电不足的情况,只适合一些低功耗系统。(这里不能用如图所示)现有电源管理电路由光伏电池,储能模块,DC-DC模块组成,该电源管理电路能量利用效率低,管理不够智能,只能适用于特定场合,无法适用于大多数场合。
通常,解决光纤供能不足的方法是提高激光功率,选择合适光纤,提高光伏电池效率等,但是考虑到成本和技术上的原因,设计出合适的电源管理电路成为一个可行的选择。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述不足之处提供一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,解决光纤供能系统都存在供电不足的情况。使用光伏电池将激光束能量转换为电能,通过本智能电源管理电路,来给一些特殊用电场合供电。
一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路是采取以下技术方案实现的:一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路包括光伏电池、前级DC-DC(直流转换)模块、储能模块、开关、电源监测模块、升降压DC-DC(直流转换)模块和低功耗微处理器;所述开关包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;所述低功耗微处理器具有内部AD模块、第一内部IO口、第二内部IO口和供电端口;光伏电池的输出端通过前级DC-DC模块分别与低功耗微处理器的内部AD模块、储能模块、第一开关以及第三开关相连;第一开关的输出端与电源监测模块一端相连,电源监测模块的另一端连接至第二开关的电压控制端;第三开关的输出端与升降压DC-DC模块的一端相连,升降压DC-DC模块的另一端与低功耗微处理器的供电端口相连;低功耗微处理器的第二内部IO口连接至第四开关的电压控制端;第四开关的输入端与第三开关的电压控制端以及第二开关的输入端相连。
所述光伏电池采用光电转换效率大于30%,工作电压范围为200mV~5.5V高效率光伏电池,所述高效率光伏电池为GaAs光伏电池或聚光光伏电池等效率较高的光伏电池。
所述的前级DC-DC模块自带MPPT(最大功率点跟踪),使光伏电池始终工作在最大功率点附近;所述前级DC-DC模块输入电压范围为200mV~5.5V,输出电压为3.3V~5V。
所述储能模块使用超级电容的串并联实现,超级电容又名电化学电容器,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。
所述开关采用晶体管和场效应管,其中第一开关和第三开关选用晶体三极管,低电平导通;第二开关和第四开关选用MOS场效应管,高电平导通。
所述电源监测模块的电压监测值设定为1.8V~5V,当电源监测模块的输入电压大于该设定值时,输出高电平。
所述升降压DC-DC的效率在80%以上,输出电压为1.8V~5V。
所述低功耗微处理器外接低功耗AD。
所述的低功耗微处理器包括低功耗单片机、低功耗DSP(数字信号处理器)和FPGA(现场可编程门阵列)等。
所述低功耗微处理器采用市售的低功耗微处理器。
工作原理:一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路使用时,用稳定的激光束照射光伏电池,把有限的光能转换为电能;前级DC-DC模块自带MPPT,从而使光伏电池工作在最大功率点附近;第一开关一开始处于导通状态(低电平),第三开关处于断开状态(高电平),第二开关处于断开状态(低电平),第四开关处于断开状态(低电平),此时储能模块的超级电容处于充电状态;当超级电容两端电压充到电源监测模块设置的阈值电压时,第二开关导通(高电平),第三开关导通(低电平),升降压DC-DC输出合适的电压轨让低功耗微处理器工作;低功耗微处理器在瞬间导通第四开关,断开第一开关,同时,低功耗微处理器的内部AD模块测超级电容两端电压,当其电压值低于2.2V时,导通第一开关,断开第四开关、第二开关以及第三开关,这时,超级电容又处于充电状态,照此不停地循环。
上述工作过程适用于系统功耗较大,光伏电池提供的电能不充足的情况下。当光伏电池提供的电能充足时,上述过程可以简化为:第一开关一开始处于导通状态(低电平),第三开关处于断开状态(高电平),第二开关处于断开状态(低电平),第四开关处于断开状态(低电平),此时超级电容处于充电状态,当超级电容两端电压充到电源监测模块设置的阈值电压时,第二开关导通(高电平),第三开关导通(低电平),升降压DC-DC输出合适的电压轨让低功耗微处理器工作,低功耗微处理器在瞬间导通第四开关,断开第一开关。
有益效果:本实用新型所用到的前级DC-DC,电源监测模块,升降压DC-DC和微处理器都是集成芯片,价格低廉,性能稳定。该电路效率高,成本低,电源管理智能,既适用于低功耗实时用电系统,也适用于高功耗间断用电系统;提取光能能力强,既适用于极低功耗系统,也适用于功耗较大的系统,是光纤传能系统的可靠选择。
附图说明
以下将结合附图对本实用新型作进一步说明:
图1是现有电源管理电路的结构框图。
图2是光伏电池的P-V特性曲线。
图3是光纤供能系统的结构框图。
图4是本实用新型适用于光纤供能系统的智能电源管理电路的结构框图。
图5是本实用新型的一种实施实例结构框图。
图中:1、激光束,2、光伏电池,3、前级DC-DC模块,4、储能模块,5、电源监测模块,6、升降压DC-DC模块,7、低功耗微处理器,8、内部AD模块,9、第一内部IO口,10、第二内部IO口,11、供电端口,12、第一开关(L),13、第三开关3(L),14、第二开关(H),15、第四开关(H),16、基站,17、光纤,18、远端单元,19、DC-DC模块,20、激光器,21、智能电源管理电路,22、第一低功耗传感器,   23、第二低功耗传感器。
具体实施方式
图1所示是现有电源管理电路的结构框图,现有电源管理电路由光伏电池2、储能模块4和DC-DC模块19组成,该电源管理电路能量利用效率低,管理不够智能,只能适用于特定场合,无法适用于大多数场合。
图2所示,前级DC-DC模块3自带MPPT,从而使光伏电池工作在最大功率点附近。
图3所示是光纤供能系统的结构框图,一般光纤供能系统包括控制基站16、光纤17链接部分和远端单元18三部分。
参照附图4~5,本实用新型供能系统的智能电源管理电路包括光伏电池2、前级DC-DC模块3、储能模块4、开关、电源监测模块5、升降压DC-DC模块6和低功耗微处理器7;所述开关包括第一开关12、第二开关14、第三开关13和第四开关15;所述低功耗微处理器7具有内部AD模块8、第一内部IO口9、第二内部IO口10和供电端口11;光伏电池2的输出端通过前级DC-DC模块3分别与低功耗微处理器7的内部AD模块8、储能模块4、第一开关12以及第三开关13相连;第一开关12的输出端与电源监测模块5一端相连,电源监测模块5的另一端连接至第二开关14的电压控制端;第三开关13的输出端与升降压DC-DC模块6的一端相连,升降压DC-DC模块6的另一端与低功耗微处理器7的供电端口11相连;低功耗微处理器7的第二内部IO口10连接至第四开关15的电压控制端;第四开关15的输入端与第三开关13的电压控制端以及第二开关14的输入端相连;
所述光伏电池2采用光电转换效率大于30%,工作电压范围为200mV~5.5V高效率光伏电池,所述高效率光伏电池为GaAs光伏电池或聚光光伏电池等效率较高的光伏电池。
所述的前级DC-DC模块3自带MPPT(最大功率点跟踪),使光伏电池2始终工作在最大功率点附近;所述前级DC-DC模块3输入电压范围为200mV~5.5V,输出电压为3.3V~5V。
所述储能模块4使用超级电容的串并联实现,超级电容又名电化学电容器,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。
所述开关采用晶体管和场效应管,其中第一开关12和第三开关13选用晶体三极管,低电平导通;第二开关14和第四开关15选用MOS场效应管,高电平导通。
所述电源监测模块5的电压监测值设定为1.8V~5V,当电源监测模块5的输入电压大于该设定值时,输出高电平。
所述升降压DC-DC6的效率在80%以上,输出电压为1.8V~5V。
所述低功耗微处理器7内带低功耗AD,或可外接低功耗AD。
所述的低功耗微处理器7包括低功耗单片机、低功耗DSP(数字信号处理器)和FPGA(现场可编程门阵列)等。
适用于光纤供能系统的智能电源管理电路使用时,用稳定的激光束1照射光伏电池2,把有限的光能转换为电能;前级DC-DC模块3自带MPPT(最大功率点跟踪),从而使光伏电池工作在最大功率点附近;第一开关12一开始处于导通状态(低电平),第三开关13处于断开状态(高电平),第二开关14处于断开状态(低电平),第四开关15处于断开状态(低电平),此时储能模块4的超级电容处于充电状态;当超级电容两端电压充到电源监测模块5设置的阈值电压时,第二开关14导通(高电平),第三开关13导通(低电平),升降压DC-DC6输出合适的电压轨让低功耗微处理器7工作;低功耗微处理器7在瞬间导通第四开关15,断开第一开关12,同时,低功耗微处理器7的内部AD模块8测超级电容两端电压,当其电压值低于2.2V时,导通第一开关12,断开第四开关15、第二开关14以及第三开关13,这时,超级电容又处于充电状态,照此不停地循环。
上述工作过程适用于系统功耗较大,光伏电池2提供的电能不充足的情况下。当光伏电池2提供的电能充足时,上述过程可以简化为:第一开关12一开始处于导通状态(低电平),第三开关13处于断开状态(高电平),第二开关14处于断开状态(低电平),第四开关15处于断开状态(低电平),此时超级电容处于充电状态,当超级电容两端电压充到电源监测模块5设置的阈值电压时,第二开关14导通(高电平),第三开关13导通(低电平),升降压DC-DC6输出合适的电压轨让低功耗微处理器7工作,低功耗微处理器7在瞬间导通第四开关15,断开第一开关12。
下面将结合本实用新型实例中的附图,对本实用新型实例中的技术方案进行清晰完整的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实例,而不是全部实例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的其它所有实施例,都属于本实用新型保护的范围。
图5为利用本实用新型构成的光纤供能系统结构图,如图5所示,该系统包括激光器20、光纤17、智能电源管理电路21、低功耗微处理器7、第一低功耗传感器模块22和第二低功耗传感器模块23。
所述激光器20输出几瓦至几十瓦的稳定光功率,经过光纤17传输后,衰减至数百毫瓦;光伏电池2将经过光纤传输后的数百毫瓦光能量转化为电能,为后级电路供电。
所述光纤采用长距离光纤,所述长距离光纤17为多模石英光纤,多模光纤相对于单模光纤的传能能力强,是光纤供能系统的良好选择。
所述智能电源管理电路21的工作过程就是实用新型内容中所述的工作过程。
所述低功耗微处理器7包括低功耗单片机,低功耗DSP,FPGA等。
所述第一低功耗传感器模块22和第二低功耗传感器模块23可以采用低功耗的温度传感器、压力传感、加速度传感器、CO传感器或H2传感器等气体传感器。
激光器20设置在基站部分,工作人员可以控制其工作情况,例如打开或者关闭,调整激光器输出功率等,该激光器价格适中,工作稳定,能够满足大部分光纤传能的场合。激光器20输出的光束经过耦合器耦合至长距离的多模光纤17,该光纤布置在一些如高频噪声,电磁干扰,磁场或高电压等影响的环境中。光束到达光伏电池2以及本实用新型所述的智能电源管理电路21后,供电给后级传感系统。
后级传感系统包括第一低功耗传感器模块22和第二低功耗传感器模块23和低功耗微处理器7。第一低功耗传感器模块22和第二低功耗传感器模块23将采集到的模拟信息转换为数据信息发送给低功耗微处理器7并显示出来。

Claims (9)

1.一种适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,其特点在于:包括光伏电池、前级DC-DC模块、储能模块、开关、电源监测模块、升降压DC-DC模块和低功耗微处理器;所述开关包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;所述低功耗微处理器具有内部AD模块、第一内部IO口、第二内部IO口和供电端口;光伏电池的输出端通过前级DC-DC模块分别与低功耗微处理器的内部AD模块、储能模块、第一开关以及第三开关相连;第一开关的输出端与电源监测模块一端相连,电源监测模块的另一端连接至第二开关的电压控制端;第三开关的输出端与升降压DC-DC模块的一端相连,升降压DC-DC模块的另一端与低功耗微处理器的供电端口相连;低功耗微处理器的第二IO口连接至第四开关的电压控制端;第四开关的输入端与第三开关的电压控制端以及第二开关的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,其特点在于:所述光伏电池采用光电转换效率大于30%,工作电压范围为200mV~5.5V高效率光伏电池。
3.根据权利要求2所述的适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,其特点在于:所述高效率光伏电池为GaAs光伏电池或聚光光伏电池。
4.根据权利要求1所述的适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,其特点在于:所述的前级DC-DC模块自带MPPT最大功率点跟踪,使光伏电池始终工作在最大功率点附近;所述前级DC-DC模块输入电压范围为200mV~5.5V,输出电压为3.3V~5V。
5.根据权利要求1所述的适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,其特点在于:所述储能模块使用超级电容的串并联实现。
6.根据权利要求1所述的适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,其特点在于:所述开关采用晶体管和场效应管,其中第一开关和第三开关选用晶体三极管,低电平导通;第二开关和第四开关选用MOS场效应管,高电平导通。
7.根据权利要求1所述的适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,其特点在于:所述电源监测模块的电压监测值设定为1.8V~5V,当电源监测模块的输入电压大于该设定值时,输出高电平。
8.根据权利要求1所述的适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,其特点在于:所述升降压DC-DC的效率在80%以上,输出电压为1.8V~5V。
9.根据权利要求1所述的适用于光纤供能系统的智能电源管理电路,其特点在于:所述低功耗微处理器外接低功耗AD。
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