CN220527908U - 一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路 - Google Patents
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Abstract
一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，包括全波式整流桥、气体放电管、直流‑直流降压电路和电压比较电路，气体放电管通过周期性的击穿与导通将转化而来的直流电能高效地存储在并联于直流‑直流降压电路前的电容上，直流‑直流降压电路采用LTC3588芯片，在电路中起到直流能量收集、高效直流‑直流降压变换的作用，经过此电路将收集变换而来的直流能源储存在后端的储能电容中，电压比较电路采用TLV3702芯片，通过将储能电容两端电压与阈值电压相比较，进行相应功率开关管的通断来决定储能电容是处于充电还是为低功率负载供电的工作状态。本电路基于能源管理技术，可以将TENG产生的电能进行调整，使其可以直接为低功率负载供电。
Description
技术领域
本实用新型涉及能源管理技术领域，具体涉及一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路。
背景技术
随着社会的进步，电子器件的发展也进入了一个新的阶段。电力已经被广泛应用到各个领域中，而能源研究也变得越来越重要。然而，当前全球面临着能源资源日益匮乏、污染排放等严峻的问题。因此，越来越多的科学家开始研究一种能够在自然中获取能源并减少对环境影响的发电方式。这时，纳米发电技术应运而生。在传感器和小型电子器件中，使用纳米能源作为其电源的比例越来越高，因为传统电池存在寿命短、携带不便、需要不定时充电等问题。其中，摩擦纳米发电机可以有效地从自然界中收集机械能，并被证明是一种自供电的有效能源，可以为一些传感器和小型电子器件提供能量。
但是，摩擦纳米发电机具有高电压、低电流和大输出阻抗等特点，难以与一些电子设备相匹配。而能源管理电路（Power Management Circuit，PMC）是一种用于管理微型能源转换和能量存储的电路，其作用是将微型能源的输出电压和电流进行放大、整形、稳定和储能等处理，以满足负载的需求。能源管理电路可以有效地控制能量的流动和储存，实现对微型能源的高效利用和管理。
发明内容
本实用新型提出了一种适应摩擦纳米发电机发电特点的能源管理电路，可以以较高的效率将摩擦纳米发电产生的电能储存起来供负载使用，较好地解决了摩擦纳米发电机直接给电容充电时充电效率不高的问题，同时可以避免摩擦纳米发电机因发电时电压高、电流小、输出电阻大使得自身难以与负载进行阻抗匹配的问题。
一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，包括摩擦纳米发电机，全波形整流桥，气体放电管，直流-直流降压电路，电压比较电路；
摩擦纳米发电机输出端接至全波形整流桥的两端，全波形整流桥的输出端通过气体放电管连接直流-直流降压电路，直流-直流降压电路之后通过电压比较电路连接负载电路。
进一步地，摩擦纳米发电机工作产生幅值为217.4V的交流电。
进一步地，全波形整流桥由四个二极管组成，将将交流电转化为直流电输出。
进一步地，气体放电管使用型号为SXH81-90V的2RM陶瓷气体放电管。
进一步地，直流-直流降压电路采用LTC3588芯片，将输入的电压源转化为幅值恒定不变的电流源。
进一步地，LTC3588芯片前设置保护电容。
进一步地，在LTC3588芯片的输出端接入一个1000μf的电容，当摩擦纳米发电机工作时，电容开始充电。
进一步地，在电容后设置电压比较电路，该电路由TLV3702芯片和MOSFET管组成。
进一步地，电压比较电路中，TLV3702芯片的两个输出端连接MOSFET管的栅极，TLV3702芯片的1 IN+端连接MOSFET管的漏极，TLV3702芯片的2 IN+端、接地端和MOSFET管的源极连接负载电路，TLV3702芯片的VCC端、接地端连接电容，TLV3702芯片的1 IN-端接收Vref1电压，TLV3702芯片的2 IN-端接收Vref2电压。
进一步地，Vref1为3.3V，Vref2为2.8V。
本实用新型的有益效果为：
（1）相对于将摩擦纳米发电机电流经整流后直接与电容相连给电容充电的方式，本能量管理电路因为使用LTC3588能量收集模块，能够将输入的高幅值且不稳定的直流电压转换为较低幅值的、稳定的直流源输出，可以以较高的效率将摩擦纳米发电机产生的电能存储在电容当中，以备后续使用。
（2）电容直接连接负载时，因为摩擦纳米发电机功率较低，电容中能存储的电能较少，一般只能带动LED灯这样的低功耗器件。电压比较器的加入让电容不需要一直为负载供电，也就使得电容可以存储更多的电能，积攒更高的电压，能为更高功率的用电器件进行供能。
（3）通过使用GDT降低了匹配的电阻，利用其增加瞬时输出的功能，更加充分地利用TENG产生的能量。同时其作为自供电的电子触发开关，可以大幅增加转移电荷，使电容的充电效率更高。
（4）间歇式工作的电路在一些负载不需要连续工作的场景下适应性很好，可以起到减小能量损耗，提高能源利用率的作用。
附图说明
图1为本实用新型实施例中的能源管理电路结构示意图。
图2为本实用新型实施例中的测试电路示意图。
图3为本实用新型实施例中的测试结果示意图。
图4为本实用新型实施例中的电压比较电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。
本实施例将实现一种适应摩擦纳米发电机发电特点的能源管理电路，其组成主要包括摩擦纳米发电机，全波形整流桥，气体放电管，LTC3588芯片，TLV3702电压比较器芯片。其连接方式如图1所示。
其工作方式如下：摩擦纳米发电机工作时产生幅值为217.4V左右的交流电，输出端接至全波形整流桥的两端，由四个二极管组成的全波形整流桥将交流电转化为直流电输出，为图1中2pf的电容充电。当电容的电压超过气体放电管的击穿电压时，放电管内部发生短路，电流输入至LTC3588，实现开关的自控制功能。在LTC3588前设置一个较大的电容（即图1中100μf的电容）以减小电压保护芯片。使用型号为SXH81-90V的2RM陶瓷气体放电管，分别测试了没有气体放电管和设置了气体放电管时给大小为47μf的电容充电的效率。测试电路如图2所示，测试结果如图3所示。可见在充电1分钟的情况下，没有气体放电管时电容电压从0V上升为0.0884V，设置了气体放电管时电容电压从0V上升为0.4091V。结果表明，使用气体放电管可以大幅增加TENG为电容充电的速率。
LTC3588此芯片是本电路系统的能量收集模块，能够将输入的电压源转化为幅值恒定不变的电流源，以便于后续对电能的收集和利用。在LTC3588芯片的输出端接入一个1000μf的电容，当摩擦纳米发电机工作时，图1中1000μf的电容开始充电。为了实现对电容充放电的自动控制，在电容后设置电压比较电路，该电路由TLV3702芯片和MOSFET管组成，接线方式如图4所示。
设置Vref1为3.3V，Vref2为2.8V。电压比较电路的工作方式如下：当电容开始充电且电压不大于3.3V时，1IN+的电压小于1IN-，1OUT端输出低电平至MOSFET管的栅极，使MOSFET管截止，电容持续充电。当电容充电至电压大于3.3V时，1IN+的电压大于1IN-，1OUT端输出高电平至MOSFET管的栅极，使MOSFET管导通，电容电压通过MOSFET管的漏极、源极输出到负载电阻，电容开始为用电器供电，电压开始下降。同时电压施加到2IN+端，此时2IN+的电压大于2IN-，2OUT端输出高电平至MOSFET管的栅极，用于维持MOSFET管的导通状态。当电容放电一段时间后，其电压降至2.8V以下，此时2IN+的电压小于2IN-，2OUT端输出低电平至MOSFET管的栅极，使MOSFET管截止，电容停止向负载电阻输出电压，重新开始充电。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (10)
1.一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：
所述能源管理电路包括摩擦纳米发电机，全波形整流桥，气体放电管，直流-直流降压电路，电压比较电路；
摩擦纳米发电机输出端接至全波形整流桥的两端，全波形整流桥的输出端通过气体放电管连接直流-直流降压电路，直流-直流降压电路之后通过电压比较电路连接负载电路。
2.根据权利要求1所述的一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：摩擦纳米发电机工作产生幅值为217.4V的交流电。
3.根据权利要求1所述的一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：全波形整流桥由四个二极管组成，将交流电转化为直流电输出。
4.根据权利要求1所述的一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：气体放电管使用型号为SXH81-90V的2RM陶瓷气体放电管。
5.根据权利要求1所述的一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：直流-直流降压电路采用LTC3588芯片，将输入的电压源转化为幅值恒定不变的电流源。
6.根据权利要求5所述的一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：LTC3588芯片前设置保护电容。
7.根据权利要求6所述的一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：在LTC3588芯片的输出端接入一个1000μf的电容，当摩擦纳米发电机工作时，电容开始充电。
8.根据权利要求7所述的一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：在电容后设置电压比较电路，该电路由TLV3702芯片和MOSFET管组成。
9.根据权利要求8所述的一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：电压比较电路中，TLV3702芯片的两个输出端连接MOSFET管的栅极，TLV3702芯片的1 IN+端连接MOSFET管的漏极，TLV3702芯片的2 IN+端、接地端和MOSFET管的源极连接负载电路，TLV3702芯片的VCC端、接地端连接电容，TLV3702芯片的1 IN-端接收Vref1电压，TLV3702芯片的2 IN-端接收Vref2电压。
10.根据权利要求9所述的一种接触分离式摩擦纳米发电机的能源管理电路，其特征在于：Vref1为3.3V，Vref2为2.8V。
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