应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路，用于解决现有电源管理电路耗能大的技术问题。技术方案是由全桥整流器、Buck‑boost型DC‑DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块组成。全桥整流器的输入端直接与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck‑boost型DC‑DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck‑boost型DC‑DC开关变换器的功率级的开关管NM

【技术实现步骤摘要】
应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路
本专利技术涉及一种电源管理电路，特别是涉及一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路。
技术介绍
文献1“Resistiveimpedancematchingcircuitforpiezoelectricenergyharvesting，JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures,September2010,Vol.21,pp.1293-1302”公开了一种针对连续振动源的压电能量采集电路。该电路根据阻抗匹配时可实现最大能量传输的原理，使DC-DC开关变换器的输入阻抗与压电材料的输出阻抗相匹配，提高了压电能量采集系统的采集效率。该电路具有结构简单、功耗低的特点。但该电路方案存在的缺点是当没有外部输入能量时，电源管理电路仍然持续工作，浪费电能，导致能量采集系统的效率降低。另外，该电路不能实现自启动和自供电，需要外部供电。
技术实现思路
为了克服现有电源管理电路耗能大的不足，本专利技术提供一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路。该电源管理电路由全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块组成。全桥整流器的输入端直接与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器对储能器件的充电。当压电转换器输出的电能过小时，电源管理电路停止工作，进入休眠模式以减小功率消耗。可实现自启动和自供电，不需要加入外部电源。实时监测储能器件的电压，当该电压等于或大于储能器件的饱和电压时，电源管理电路停止对储能器件充电，以达到保护储能器件的目的。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路，其特点是包括全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块。全桥整流器的输入端与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器对储能器件的充电。所述开关信号控制器由启动单元、振荡器和过压保护单元三个模块组成。启动单元用于检测压电转换器的输出电能大小，以控制电源管理电路在正常工作模式和休眠模式之间切换；同时存储压电转换器的部分输出电能，为电源管理电路提供工作电压，以实现自供电。当压电转换器的输出电能小于确定的阈值时，启动单元控制电源管理电路停止工作，使其进入休眠状态；而当压电转换器的输出电能大于某个确定的阈值时，启动单元产生恒定的直流电压，为电源管理电路提供工作电压，电源管理电路进入正常工作模式，实现对储能器件的充电。振荡器在正常工作时，产生具有确定频率和占空比的周期性方波信号，控制DC-DC开关变换器的开关管NM1的关断和闭合，使其输入阻抗与压电转换器的输出阻抗相匹配，以实现最大能量采集和传输。过压保护单元在正常工作时，监测储能器件的电压，当储能器件的电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元控制电源管理电路停止对储能器件充电，达到保护储能器件的目的。而当储能器件上的电压小于储能器件的饱和电压时，电源管理电路正常工作，为储能器件持续充电。启动单元的输入端1连接至全桥整流器的正极输出端，定义为输入端1，启动单元的输入端2连接过压保护单元的输出端。启动单元的输出端同时连接至振荡器的正电源端和与过压保护单元的负电源端相串联的NMOS晶体管NM3的栅极。二极管D7、电阻R1和电容C1依次串联后连接到启动单元的输入端1与接地端。电容C1与稳压二极管D8并联，电容C1的上极板为启动单元的输出端VCC。NMOS晶体管NM2的栅极连接至过压保护单元的输出端，NMOS晶体管NM2的漏极和源极分别连接到启动单元的输出端VCC和接地端。NMOS晶体管NM3的栅极连接至输出端VCC、源极连接接地端、漏极连接至过压保护单元的负电源端。过压保护单元由比较器和两个串联分压电阻构成，比较器的其中一个输入端连接基准电压VREF，另一个输入端连接至两个串联分压电阻的中间点，这两个串联分压电阻连接在储能器件的两端，其中间点的电压为储能器件电压的按比例缩小电压。比较器的输出端连接至NMOS晶体管NM2的栅极。比较器的正电源端连接至储能器件的正极性端，负电源端连接至NMOS晶体管NM3的漏极。当储能器件的电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出的高电平使NMOS晶体管NM2导通，此时VCC变为零电平，NMOS晶体管NM3关断，振荡器和过压保护单元均不工作，DC-DC开关变换器停止对储能器件充电。当储能器件的电压小于储能器件的饱和电压时，过压保护单元输出的低电平使NMOS晶体管NM2关断，DC-DC开关变换器对储能器件进行充电。振荡器用于产生具有确定频率和占空比的周期性方波信号，控制Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的通断。通过选择周期性方波信号的开关频率和占空比参数，使DC-DC开关变换器的输入电阻与压电转换器的最优负载阻抗相匹配，以获取最大能量。由于冲击式压电转换器的最优负载阻抗近似等于压电材料的最小自然频率阻抗，通过设定振荡器所产生的周期性方波信号的频率和占空比，使DC-DC开关变换器的输入阻抗等于压电材料的最小自然频率阻抗。本专利技术的有益效果是：该电源管理电路由全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块组成。全桥整流器的输入端直接与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器对储能器件的充电。当压电转换器输出的电能过小时，电源管理电路停止工作，进入休眠模式以减小功率消耗。可实现自启动和自供电，不需要加入外部电源。实时监测储能器件的电压，当该电压等于或大于储能器件的饱和电压时，电源管理电路停止对储能器件充电，以达到保护储能器件的目的。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。附图说明图1是本专利技术应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路的结构框图。图2是本专利技术应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路的具体实现方案。图3是本专利技术应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路在储能器件正常充电时的信号波形图。图4是本专利技术应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路在储能器件充满电时的信号波形图。具体实施方式以下实施例参照图1～4。本专利技术应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路由全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块组成。全桥整流器的输入端直接与压电转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路，其特征在于：包括全桥整流器、Buck‑boost型DC‑DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块；全桥整流器的输入端与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck‑boost型DC‑DC开关变换器；开关信号控制器的输出连接Buck‑boost型DC‑DC开关变换器的功率级的开关管NM

【技术特征摘要】
1.一种应用于非连续压电能量采集系统的自供电电源管理电路，其特征在于：包括全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块；全桥整流器的输入端与压电转换器的输出电极相连，压电转换器的输出电压经过整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器；开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级的开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器对储能器件的充电；所述开关信号控制器由启动单元、振荡器和过压保护单元三个模块组成；启动单元用于检测压电转换器的输出电能大小，以控制电源管理电路在正常工作模式和休眠模式之间切换；同时存储压电转换器的部分输出电能，为电源管理电路提供工作电压，以实现自供电；当压电转换器的输出电能小于确定的阈值时，启动单元控制电源管理电路停止工作，使其进入休眠状态；而当压电转换器的输出电能大于某个确定的阈值时，启动单元产生恒定的直流电压，为电源管理电路提供工作电压，电源管理电路进入正常工作模式，实现对储能器件的充电；振荡器在正常工作时，产生具有确定频率和占空比的周期性方波信号，控制DC-DC开关变换器的开关管NM1的关断和闭合，使其输入阻抗与压电转换器的输出阻抗相匹配，以实现最大能量采集和传输；过压保护单元在正常工作时，监测储能器件的电压，当储能器件的电压等于或大于储能器件的饱和电压时，过压保护单元控制电源管理电路停止对储能器件充电，达到保护储能器件的目的；而当储能器件上的电压小于储能器件的饱和电压时，电源管理电路正常工作，为储能器件持续充电；启动单元的输入端1连接至全桥整流器的正极输出端，定义为输入端1，启动单元的输入端2连接过压保护单元的输出端；启动单元的输出端同时连接至振荡器的正电源端和与过压保护单元的负电源端相...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈楠，魏廷存，河东三，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61