CN205753586U

CN205753586U - 一种电源管理电路

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Publication number: CN205753586U
Application number: CN201620320953.0U
Authority: CN
Inventors: 陈松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2026-04-14

Abstract

一种电源管理电路，用于一发电供电装置中，所述发电供电装置包括储电单元和发电模块，所述电源管理电路包括冷启动电路和升压电路，其中：所述升压电路连接所述储电单元、所述发电模块以及所述冷启动电路，所述升压电路用于将所述发电模块输出的电能进行升压处理，并跟踪所述发电模块输出功率，控制所述储电单元的电压值保持在预先设定的额定电压值，以提供给负载所需要的电压；所述冷启动电路用于当所述发电供电装置由零电压状态启动时将输入电压累积到所述升压电路所需的工作电压值，该电源管理电路，可实现不使用电池或重复为电池充电就可为负载提供电能。

Description

一种电源管理电路

【技术领域】

本实用新型涉及一种用于发电装置中的电源管理电路。

【背景技术】

现在电子产品日趋普及，凡是电子产品，正常工作就离不开电源，如果仅使用电池作为电源，当电池的电量耗尽以后，用户就需要更换电池，对于一个蓝牙信标设备或电子杯此类低功耗的电子产品，是非常不便，同时频繁的更换电池，也是对环境的一种污染，也增加用户使用成本。

【实用新型内容】

本实用新型要解决的技术问题是提出一种应用于例如光能/热能发电装置中，用来将光能和热能作为能源所产生的不稳定电压电流转换成稳定的直流电源供负载使用的电源管理电路，以使所述发电装置能够真正稳定地、持续地为电子产品供电。

本实用新型的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种电源管理电路，用于一发电供电装置中，所述发电供电装置包括储电单元和发电模块，所述电源管理电路包括冷启动电路和升压电路，其中：所述升压电路连接所述储电单元、所述发电模块以及所述冷启动电路，所述升压电路用于将所述发电模块输出的电能进行升压处理，并跟踪所述发电模块输出功率，控制所述储电单元的电压值保持在预先设定的额定电压值，以提供给负载所需要的电压；所述冷启动电路用于当所述发电供电装置由零电压状态启动时将输入电压累积到所述升压电路所需的工作电压值。

本实用新型与现有技术对比的有益效果是：

本实用新型利用电源管理电路，将发电供电装置输出不稳定的电压电流转换成稳定的直流电源供负载使用，以达到完全节省电池或者大大延长电池使用寿命，从而减少污染，实现绿色环保，同时降低使用的成本。

【附图说明】

图1为本实用新型具体实施方式的电源管理电路的方框示意图；

图2为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中主要的电路结构框图；

图3为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中的冷启动电路的结构示意图；

图4为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中的冷启动电路中的两相交替开关电容直流对直流转换电路结构示意图；

图5、图5A为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中的冷启动电路中的开关电路结构示意图；

图6为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中的冷启动电路中粗略电平检测电路结构示意图；

图7为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中的冷启动电路中电压泵电路结构示意图；

图8为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中的冷启动电路中的振荡器电路结构示意图；

图9、图9A为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中的冷启动电路中的电流镜电路结构示意图；

图10为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中直流电压升压转换部分核心电路示意图；

图11为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中直流电压升压转换电路的最大功率跟踪核心电路示意图；

图12为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中直流电压升压转换电路的最大功率跟踪电路曲线示意图；

图13为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中最大功率跟踪电路的可调脉宽脉冲产生电路示意图；

图14为本实用新型具体实施方式中的电源管理电路中的保护电路核心结构示意图；

图15为本实用新型中又一具体实施方式中采用电源管理电路的方框示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

如图1所示，在本具体实施方式中，用于一发电供电装置中，所述发电供电装置包括储电单元308和发电模块310，所述电源管理电路包括冷启动电路303和升压电路309，其中：所述升压电路309连接所述储电单元308、所述发电模块310以及所述冷启动电路303，所述升压电路309用于将所述发电模块310输出的电能进行升压处理，并跟踪所述发电模块310输出功率，控制所述储电单元308的电压值保持在预先设定的额定电压值，以提供给负载所需要的电压；所述冷启动电路303用于当所述发电供电装置由零电压状态启动时将输入电压累积到所述升压电路309所需的工作电压值。

具体地，如图2所示，所述电源管理电路包括直流对直流升压转换电路302、冷启动电路303、最大功率点跟踪电路304及电能储存管理电路301；由于发电模块310转换下来的初始电压很小，通过所述直流对直流升压转换电路302将发电模块310转换出的电能进行升压处理，具体地是将小电流低电压转换成小电流高电压，才能直接给负载供电或者给储电单元308充电。由于直流对直流升压转换电路302的输入直流电压一般有一个使用范围，所述冷启动电路303用于当所述发电供电装置从零电压状态启动时，将输入电压累积到直流对直流升压转换电路302正常工作时所需的最低直流输入电压值。由于发电供电装置输出电压电流的不稳定性和负载电路耗电的不稳定性，为了达到最优化的工作效率，增设了所述最大功率点跟踪电路304，所述最大功率点跟踪电路304实时跟踪所述发电模块310输出功率，并通过实时调节直流对直流升压转换电路302的输入阻抗使得发电模块310获得最大电能转化功率，使得发电模块310更有效的将电能供给负载电路。电能储存管理电路301连接至所述储电单元308，用于：当储电单元308存电压值低于设定的额定电压值，为使储电单元308的电压值到达预先设定的额定电压值，电能储存管理电路301将让发电模块310继续向储电单元308充电；当储电单元308电压值高于设定的额定电压值，电能储存管理电路301将停止让发电模块310继续向储电单元308充电，以确保储电单元308的电压值保持在预先设定的额定电压值，该电路是用来管理储电单元308是处于充电还是放电的工作模式。

鉴于实际使用环境各不相同，为保护整体装置的电路正常工作，在所述电源管理电路中还增设了保护电路305，具体地，保护电路305包括如图14所示的异常检测电路、保护电路(图中未示)和一逻辑控制单元，如图14所示，所述异常检测电路包括相互并联的三路分压电阻701(具体包括电阻R71、R72、R81、R82、R91、R92、R92)和四路比较器702～705，其中，为储电单元308的电压，每一路分压电阻都分别对所述储电单元的电压V_STO进行分压，分压后形成的三个电压与参考电压分别输入至四路比较器，比较器702～705输出逻辑电平信号S，是用于表征装置中电路是否正常工作的电平信号，例如高电平表示正常，而四路比较电路的每一路出现低电平即可分别表示出现过压、过温、过流、欠压的异常情况；所述逻辑控制单元根据比较器的输出控制所述保护电路的工作状态。例如，出现过压时，控制所述保护电路进行过压保护。

具体地，如图3所示，冷启动电路303包括内置振荡器401、非交叠时钟产生器402、开关驱动电路403、两相交替开关电容直流对直流转换电路404、粗略电平检测电路405以及电压泵电路406；内置振荡器401和非交叠时钟产生器402组合用以产生电源管理电路所需的时钟信号；开关驱动电路403根据产生的时钟信号来驱动两相交替开关电容直流对直流转换电路404工作；两相交替开关电容直流对直流转换电路404用来给内置电容充电升压，粗略电平检测电路405和电压泵电路406组合用来检测冷启动是否完成，一旦完成，就可以开始启动直流对直流升压电路302，对电路中的负载提供电能。

如图8所示，在本具体实施方式中，所述内置振荡器401为一种宽松型振荡器，由比较器444、比较器446、RS触发器443、限流反相器449以及电容448构成。参考电压447决定了振荡信号从高电平翻转到低电平以及相反方向翻转的翻转电压点，电容448的大小决定了电容上电压上升和下降的时间，从而决定了振荡信号的周期。所述限流反相器449由P型参考电流和N型参考电流连接PMOS型三极管和NMOS型三极管构成，该限流反相器449与普通反相器的区别在于增加了P型参考电流和N型参考电流，这限制死了限流反相器449在翻转时所消耗的电流，对整体电路的低功耗性能起到了重要的作用。

在本具体实施方式中，在所述内置振荡器中，参考电压Vref1的产生电路446、参考电压Vref2的产生电路447、参考电流ImirrorP的产生电路441和参考电流ImirrorN的产生电路442组成一个电流镜电路，如图9和图9A所示，其中，图中的451为引脚连接成二极管连接方式的PMOS型三极管，在电源和地信号之间总共有12个这样的PMOS三极管串型连接在一起，12个PMOS三极管分成3组，每组4个，每组之间的电路节点抽头出来就形成了所需的参考电压V_ref1和V_ref2。参考电流电路由若干PMOS型三极管454，若干个NMOS型三极管452，若干个电容453，和1个电阻455连接构成；这其中NMOS型三极管MN41，MN43，C10，C11，C12构成一个启动电路，保证上电以后电路能正常工作。PMOS三极管MP40，MP41，和NMOS三极管MN40，MN42，以及电阻R100联接起来构成一个参考电流产生电路，其所产生的向下流出电流可由PMOS型三极管MP42镜像产生；其所产生的向下流入电流可由NMOS型三极管MN45镜像产生。

在本具体实施方式中，图4所示的为两相交替开关电容直流对直流转换电路404。该电路的两相交替时钟信号分别为Φ1和Φ2。此电路分为A区和B区，两区各由若干个开关411和若干个电容412连接构成。当Φ1相时钟驱动时，A区内的电容形成串联，此时B区的电容形成并联，这时A区的电容412-C_PA3的电荷会被重新分配注入到电容412-C_CBUF，抬高电容412-C_CBUF上的电压。当Φ2相时钟驱动时，A区内的电容形成并联，此时B区的电容形成串联，这时B区的电容412-C_PB3的电荷会被重新分配注入电容412-C_CBUF底板，进一步抬高电容412-C_CBUF上的电压。Φ1和Φ2交替工作就会不断抬高电容412-C_CBUF上的电压，达到升压目的。

在本具体实施方式中，如图5和图5A所示的是两相交替开关电容直流对直流转换电路404中的实际开关电路411结构示意图。该开关由3个MOS型三极管413，414，415连接构成。NMOS型三极管414和PMOS型三极管413为两个开关辅助三级管，它们在开关导通三极管415导通时，将PMOS三极管415的栅极接到地上，使得415完全打开。在PMOS三极管415处于非导通状态下，它们将PMOS三极管415的栅极接到高电平，确保415完全关断没有漏电。

如图6所示，在本具体实施方式中，所述粗略电平检测电路405由若干个PMOS型三极管430和若干个NMOS型三极管431联接构成，电源电压V_DD经过第一PMOS型三极管Mp1c、第二PMOS型三极管Mp2c和第三PMOS型三极管Mp3c按二极管结构方式串联连接对电源电压进行分压，使得第一PMOS型三极管Mp1c与第二PMOS型三极管Mp2c之间相连的节点电压Vrefc与电源电压V_DD成固定比例。通电起始时，第一PMOS型三极管Mp1c处于断开状态，第二PMOS型三极管Mp2c和第三PMOS型三极管Mp3c以二极管方式串联连接，使第一和第二PMOS型三极管之间的节点电压与电源电压成固定比例；第四PMOS型三极管Mp4c和第四NMOS型三极管Mn4c串联连接；第五PMOS型三极管Mp5c和第五NMOS型三极管Mn5c串联连接形成两级反相器，节点电压Vrefc经过反相器调整后，使得翻转电压为电源电压的二分之一；当节点电压Vrefc大于电源电压达到2倍节点电压以上时，输出端电压变成低电平，指示电源电压达到阀值范围。

如图7所示，在本具体实施方式中，在电压泵电路406中，两个PMOS型三极管420和两个NMOS型三极管421构成一个推拉电路。这个推拉电路的输入分别连接在 2个电容422上面，电容的另一端分别连接一组正，反相的时钟信号上。由于连着电容底板的时钟信号刚好相位相反，该电路形成一个倍压的电压泵，使得推拉电路的电源电平Vpump为时钟的高电平电压VDD的2倍。

如图10所示，在本具体实施方式中，所述直流对直流升压转换电路302包括电感450、PMOS型三极管451、NMOS型三极管452和储电单元453，储电单元453可以是电容，也可以是一个可充电电池。所述直流对直流升压转换电路302通过2个不同相位的时钟信号交替开关PMOS型三极管451和NMOS型三极管452，使得储存电流的电感450能够不断地向储电压单元453充电，使其电压越升越高。

如图11所示，在本具体实施方式中，所述最大功率点跟踪电路304包括功率跟踪电路600、最大功能测量电路660和可调脉宽脉冲产生电路602。如图13所示，在本具体实施方式中，可调脉宽脉冲产生电路602由干个电阻652、一个电容654、若干个开关653、若干个反向器651以及一个与非逻辑门电路655连接构成；若干电阻652依次串联连接，然后在每个电阻652上相应并联连接开关653，电阻652和开关653构成一个串并电路再串联一个一端接地的电容654，构成一个可调控的延时电路，选择开关653开闭切换，串联的电阻652可以产生不同的等效电阻值，可对输入时钟信号进行延时，延时后的时钟信号再与输入时钟信号本身进行或非运算，在输出端形成一个宽窄可调的脉冲信号；最大功率跟踪电路600连接可调脉宽脉冲产生电路602，由D类型触发器608和611、数字比较器610、异或逻辑门609、递增、递减逻辑607连接组成，最大功率跟踪电路600输出时钟信号，用来调节所述可调脉宽脉冲产生电路602脉冲信号的宽窄，使输出的功率处于最大状态，从变动的电能中抽取出最大功率以供负载电路使用；最大功率测量电路660连接所述最大功率跟踪电路600，由带时钟的模拟比较器603、缓存电路613、递增递减逻辑604、D类型触发器605以及平均值计算单元606联接组成，用于检测当前从电源中抽取出来的功率，并通过所述最大功率跟踪电路使得抽取出来的功率最大。

最大功能测量电路660还包括一个零电流开关控制电路650，所述零电流开关控制电路650由带时钟的模拟比较器603、缓存电路613、递增递减逻辑电路604以及D类型触发器605连接组成。所述零电流开关控制电路650用于确保当电感里的电流为零时，PMOS型三极管622里通过的电流为零。

具体地，图12为是本实用新型具体实施方式中的结合电源管理电路中的直流对直流电平转换升压电路的功率跟踪电路曲线示意图，这里X轴为发电模块310输出的电压，Y轴为发电模块310输出的功率，图中曲线是一个可能会遇到的实际发电模块310发电曲线。而使用最大功率跟踪算法的目的就是要实时调节发电模块310电路的输入阻抗，使得发电模块310输出的功率处于最大状态。

在容器底部设有一个内腔空间装有发电模块210、储电单元211、电源管理电路212、微控制器213、数据程序存储单元217、显示装置215、语音播放电路216、振动电路214及温度传感器218等印刷电路板和电子元器件，这里的发电模块210具体为一种温差发电模块210。一般情况下，微控制器213、数据程序存储单元217、显示装置215、语音播放电路216、振动电路214及温度传感器218可以被集成在一个芯片中，构成控制单元213。容器内腔空间的中温差发电模块210的感热面贴紧杯子盛水腔体的底部，温差发电模块210的感冷面放置于一个散热层，此处可优选地，贴上一片散热层，散热层使温差发电模块的下感温片，即感冷面的热量能快速的被传导开，从而使上、下感温片两端能够持续地产生温差，温差发电模块210利用这种持续的温差，从而实现持续地将热能转化产生电能。散热层下方放置的是储电单元211、电源管理电路212以及微控制器213等印刷电路板和电子元器件。电源管理电路212分别连接储电单元211和微控制器213。电源管理电路212将温差发电模块210转换下来的电能进行处理，以提供给所述容器内部电路所需要的电压，从而实现了不使用电池就可实现为容器的测温和显示温度电路提供电能，或无需更换电池以达到给容器供电的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种电源管理电路，用于一发电供电装置中，所述发电供电装置包括储电单元和发电模块，其特征在于：

所述电源管理电路包括冷启动电路和升压电路，其中：

所述升压电路连接所述发电模块、所述储电单元以及所述冷启动电路，所述升压电路用于将所述发电模块输出的电能进行升压处理以得到稳定的直流电压并输送至所述储电单元，同时跟踪所述发电模块的输出功率，控制所述储电单元的电压值保持在预先设定的额定电压值，以提供给负载所需要的电压；

所述冷启动电路用于当所述发电供电装置由零电压状态启动时将输入电压累积到所述升压电路所需的工作电压值。

2.如权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于：所述升压电路包括直流对直流升压转换电路、最大功率点跟踪电路及电能储存管理电路，其中：所述直流对直流升压转换电路连接至所述储电单元以及所述发电模块，用于对所述发电模块输出的电能进行升压处理以给所述储电单元充电，从而供给负载使用；所述冷启动电路连接至所述直流对直流升压转换电路，用于当所述发电供电装置从零电压启动时将输入电压累积到所述直流对直流升压转换电路的工作电压值；所述最大功率点跟踪电路连接所述所述直流对直流升压转换电路和所述电能储存管理电路，用于实时跟踪所述发电模块的发电输出功率，并通过实时调节所述直流对直流升压转换电路的输入阻抗以使所述发电模块的发电输出功率最大化；所述电能储存管理电路连接至所述储电单元，用于：当所述储电单元的存储电压值低于设定的额定电压值时，控制所述直流对直流升压转换电路继续向所述储电单元充电；当所述储电单元的存储电压值高于设定的额定电压值时，控制所述直流对直流升压转换电路停止向所述储电单元充电，以确保所述储电单元的电压值保持在预先设定的额定电压值。

3.如权利要求2所述的电源管理电路，其特征在于：所述电源管理电路还包括保护电路，所述保护电路连接至所述冷启动电路，由三串分压电阻、四路比较器电路及逻辑控制电路构成，所述三串分压电阻分别连接所述四路比较器电路，所述储电单元的电压经过三串分压电阻分压成三个电压后和一个参考电压一同进入四路比较器电路，再由四路比较器电路输出电平信号，所述保护电路中的逻辑控制电路根据所述比较器电路输出的电平信号，判断所述电源管理电路是否出现过压、过温、过流或欠压的异常情况，并在出现所述异常情况时对所述电源管理电路进行保护，以保证其能够正常工作。

4.如权利要求2所述的电源管理电路，其特征在于：所述冷启动电路包括内置振荡器、非交叠时钟产生电路、开关驱动电路、两相交替开关电容直流对直流转换电路、粗略电平检测电路以及电压泵电路；所述内置振荡器和所述非交叠时钟产生电路组合起来用以产生所述电源管理电路所需的时钟信号，所述两相交替开关电容直流对直流转换电路用于发电供电装置从零状态启动时将输入电压积累到所述直流对直流升压转换电路正常工作需的电压值；所述粗略电平检测电路和所述电压泵电路组合用来检测冷启动是否完成。

5.如权利要求4所述的电源管理电路，其特征在于：所述两相交替开关电容直流对直流转换电路包括多组开关和电容串并联连接构成A区电路和B区电路；两相交替时钟信号分为是Φ1和Φ2，当时钟信号为Φ1时，A区电路内的电容形成串联，B区电路内的电容形成并联，A区电路内的电荷会被重新分配注入，抬高输出电容上的电压；当时钟信号为Φ2时，A区电路内的电容形成并联，B区电路内的电容形成串联，B区电路内的电荷会被重新分配注入，抬高输出电容上的电压；A区电路和B区电路交替工作，从而实现抬高输出电容上的电压。

6.如权利要求4所述的电源管理电路，其特征在于：所述粗略电平检测电路由若干个PMOS型三极管和若干个NMOS型三极管串并连接构成，第一、第二和第三PMOS型三极管按二极管结构方式串联连接对所述两相交替开关电容直流对直流转换电路输出的工作电压进行分压，通电起始时，第一PMOS型三极管处于断开状态，第二PMOS型三极管和第三PMOS型三极管以二极管方式串联连接，使第一和第二PMOS型三极管之间的节点电压与电源电压成固定比例；第四PMOS型三极管和第四NMOS型三极管串联连接，第五PMOS型三极管和第五NMOS型三极管串联连接形成两级反相器，节点电压经过反相器调整后，使得翻转电压为工作电压的二分之一，当节点电压大于工作电压达到2倍节点电压以上时，输出端电压变成低电平，指示工作电压达到阈值范围。

7.如权利要求4所述的电源管理电路，其特征在于：所述电压泵电路是由两个PMOS型三极管和两个NMOS型三极管构成一个推拉电路，所述推拉电路的输入端分别连接在两个电容，该两个电容的另一端分别连接一组正反相的时钟信号上，推拉电路从而形成一个倍压的电压泵，使得推拉电路的电源电压为输入时钟高电压的2倍。

8.如权利要求2所述的电源管理电路，其特征在于：所述最大功率点跟踪电路包括可调脉宽脉冲产生电路、最大功率跟踪电路以及最大功率测量电路；所述最大功率测量电路连接所述最大功率跟踪电路，用于检测当前从电源中抽取出来的功率值，并通过所述最大功率跟踪电路使得抽取出来的功率值最大；所述最大功率跟踪电路和所述最大功率测量电路分别连接所述可调脉宽脉冲产生电路，所述可调脉宽脉冲产生电路用于输出一个宽窄可调的脉冲信号；所述最大功率跟踪电路连接所述可调脉宽脉冲产生电路，用来调节所述可调脉宽脉冲产生电路脉冲信号的宽窄，使输出的功率处于最大状态，从变化的电能中抽取出最大功率以供负载电路使用。

9.如权利要求8所述的电源管理电路，其特征在于：所述最大功率测量电路还包括一个零电流开关控制电路，所述零电流开关控制电路由带时钟的模拟比较器、缓存电路、递增递减逻辑电路以及D类型触发器连接组成，所述零电流开关控制电路用于控制所述最大功率测量电路的电流何时为零。

10.如权利要求1至2中任一项所述的电源管理电路，所述储电单元为可充电电池或非电池储存器件。