CN208353220U - 一种基于变压器的高效能量收集电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于变压器的高效能量收集电路，包括由初级线圈L0和次级线圈L1组成的变压器、电容C1、电阻R1、MOS管M1、MOS管M2、开关控制管M3和开关控制管M4；该基于变压器的能量收集电路结构采用了耗尽型MOS管M1和增强型MOS管M2分时控制，避免了在输入电压增大时，线圈L0支路中出现过高的电流尖峰，从而降低了输入支路中的电流均值，同时电流的降低也避免了MOS管上的过多能量损耗，提高系统的转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及能量收集技术领域，特别涉及一种基于变压器的高效能量收集电路。
背景技术
在物联网和无线传感网络的迅速发展的今天，能量收集供电相较于传统以电池充电系统的供电方式，因其能量来源于环境的可再生能源，如：振动能、温差能摩擦能和太阳能，减少了传统供电方式中电池的维护和更换环节，因而获得了越来越多的重视和关注。
能量收集供电主要是将环境中的能量通过传感器转化为电能，通过变压器组成的正反馈环路形成的自激振荡，结合相关调制最终实现预计的电压输出；传统的能量收集方式为基于变压器的能量收集，在电路设计中通常采用0V阈值电压的MOS管，如图1所示，环境中能量(此处以温差能为例)经过传感器转化为电压VIN，通过变压器(L0，L1)和MOS管M1组成正反馈环路，形成自激振荡，将从环境中收集的能量经过电能-磁能-电能的转化从输入传递到负载，但随着输入增加,自激振荡的剧烈程度增大，表现为电容C1和电阻R1与M1栅极连接处的电压值峰值过高，从而使得流经M1漏极端的电流即线圈L0支路中的电流的尖峰过冲，造成输入端的平均电流过高，导致了在固定输出功率下转化效率的降低。从电能转化效率曲线图2中我们看到在输出为4.5V时效率随着输入电压VIN的增加而迅速降低。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于变压器的高效能量收集电路。
为此，本实用新型技术方案如下：
一种基于变压器的高效能量收集电路，包括由初级线圈L0和次级线圈L1组成的变压器、电容C1、电阻R1、MOS管M1、MOS管M2、开关控制管M3和开关控制管M4；次级线圈L1的一端接地，另一端依次通过电容C1、电阻R1接地；初级线圈L0一端接输入端VIN，另一端接MOS管M1的漏极；MOS管M1的栅极接在电容C1和电阻R1之间；MOS管M1的源极与开关控制管M3的漏极相接，开关控制管M3的源极接地；MOS管M2的漏极与MOS管M1的漏极相连，MOS管M2的源极接地，MOS管M2的栅极和开关控制管M4的源极相连，开关控制管M4的漏极与MOS管M1的栅极相连；开关控制管M3和开关控制管M4的栅极均连接到控制电路，控制电路包括负压产生器和控制开关；负压产生器一端接输出端VOUT，另一端通过控制开关分别连接到开关控制管M3和开关控制管M4的栅极。
进一步的，还包括设置在初级线圈L0和输出端VOUT之间的二极管D2。
进一步的，还包括并行设置在电阻R1两端的二极管D3。
进一步的，所述的MOS管M1为耗尽型NMOS管，MOS管M2为增强型NMOS管；所述的D2为肖特基二极管,D3为齐纳二极管。
与现有技术相比，该基于变压器的能量收集电路结构采用了耗尽型MOS管M1和增强型MOS管M2分时控制，耗尽型MOS管M1因为有较低的阈值电压主要在起振阶段开启，当回路振荡后，耗尽型MOS管M1关断，增强型MOS管M2开启，因其有较高的阈值，因而在自激振荡回路中更易关断，避免了在输入电压增大时，线圈L0支路中出现过高的电流尖峰，从而降低了输入支路中的电流均值，同时电流的降低也避免了MOS管上的过多能量损耗，提高系统的转换效率；齐纳二极管D3则是通过稳定MOS管的栅极电压来降低输入支路电流尖峰，从而来降低能量的损耗；肖特基二极管D2连接了输入支路和输出支路，使得系统更容易形成正反馈，从而加快了系统的起振速度，节省了起振时间。
附图说明
图1为传统的基于变压器的能量收集电路图。
图2为能量转化效率曲线图。
图3为本实用新型提供的基于变压器的高效能量收集电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。
一种基于变压器的高效能量收集电路，如图3所示，包括由初级线圈L0和次级线圈L1组成的变压器、电容C1、电阻R1、MOS管M1、MOS管M2、开关控制管M3和开关控制管M4；次级线圈L1的一端接地，另一端依次通过电容C1、电阻R1接地；初级线圈L0一端接输入端VIN，另一端接MOS管M1的漏极；MOS管M1的栅极接在电容C1和电阻R1之间；MOS管M1的源极与开关控制管M3的漏极相接，开关控制管M3的源极接地；MOS管M2的漏极与MOS管M1的漏极相连，MOS管M2的源极接地，MOS管M2的栅极和开关控制管M4的源极相连，开关控制管M4的漏极与MOS管M1的栅极相连；开关控制管M3和开关控制管M4的栅极均连接到控制电路，控制电路包括负压产生器和控制开关；负压产生器一端接输出端VOUT，另一端通过控制开关分别连接到开关控制管M3和开关控制管M4的栅极。
还包括设置在初级线圈L0和输出端VOUT之间的二极管D2。
还包括并行设置在电阻R1两端的二极管D3。
所述的MOS管M1为耗尽型NMOS管，MOS管M2为增强型NMOS管；所述的二极管D2为肖特基二极管；二极管D3为齐纳二极管。
本实用新型提供的基于变压器的高效能量收集电路的工作过程如下：
反馈环路采用耗尽型MOS管M1和增强型MOS管M2；其通过控制电路进行分时控制，且其对应的开关控制管M3和开关控制管M4均为耗尽型管，开关控制管M3的栅极通过开关控制电路在不同时段分别输入电压和片内产生的负压相连：在环路起振阶段，开关控制管M3的栅极和输入端VIN相连，耗尽型MOS管M1支路导通，在噪声的触发下，正反馈环路形成并起振，当输出到达预计的值时，系统产生负压，并连接到开关控制管M3的栅极，开关控制管M3关断，进而耗尽型MOS管M1支路处于开路，此时增强型MOS管M2的开关控制管M4开启，增强型MOS管M2支路导通，因为相较于耗尽型MOS管M1而言，增强型MOS管M2的关断更加容易，这使得振荡回路中电容C1和电阻R1连接处的电压峰值降低，从而使得输入支路中的电流的均值降低，实现效率的整体提升。
Claims (4)
1.一种基于变压器的高效能量收集电路，其特征在于，包括由初级线圈L0和次级线圈L1组成的变压器、电容C1、电阻R1、MOS管M1、MOS管M2、开关控制管M3和开关控制管M4；次级线圈L1的一端接地，另一端依次通过电容C1、电阻R1接地；初级线圈L0一端接输入端VIN，另一端接MOS管M1的漏极；MOS管M1的栅极接在电容C1和电阻R1之间；MOS管M1的源极与开关控制管M3的漏极相接，开关控制管M3的源极接地；MOS管M2的漏极与MOS管M1的漏极相连，MOS管M2的源极接地，MOS管M2的栅极和开关控制管M4的源极相连，开关控制管M4的漏极与MOS管M1的栅极相连；开关控制管M3和开关控制管M4的栅极均连接到控制电路；控制电路包括负压产生器和控制开关；负压产生器一端接输出端VOUT，另一端通过控制开关分别连接到开关控制管M3和开关控制管M4的栅极。
2.根据权利要求1所述的基于变压器的高效能量收集电路，其特征在于，还包括设置在初级线圈L0和输出端VOUT之间的二极管D2。
3.根据权利要求2所述的基于变压器的高效能量收集电路，其特征在于，还包括并行设置在电阻R1两端的二极管D3。
4.根据权利要求3所述的基于变压器的高效能量收集电路，其特征在于，所述的MOS管M1为耗尽型NMOS管，MOS管M2为增强型NMOS管；所述的二极管D2为肖特基二极管；所述的二极管D3为齐纳二极管。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111509966A (zh) * | 2020-03-22 | 2020-08-07 | 天津理工大学 | 超低电压负反馈调制能量收集电路 |
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2018
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| CN111509966A (zh) * | 2020-03-22 | 2020-08-07 | 天津理工大学 | 超低电压负反馈调制能量收集电路 |
| CN111509966B (zh) * | 2020-03-22 | 2023-04-25 | 天津理工大学 | 超低电压负反馈调制能量收集电路 |
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