用于同时采集振动能和热能的能量采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，包括：基于电感的同步开关振动能采集单元，用于采集振动能，并将振动能转化为直流电能输出，包含：压电装置；电感L，与压电装置并联；以及传输门，设于压电装置与电感L之间；热能采集单元，用于采集热能，并将热能转化为直流电能输出，与基于电感的同步开关振动能采集单元并联，包含：热电装置；电容C，与热电装置并联；以及NMOS管，设于热电装置与电容C之间、以及电容C与电感L之间；以及控制信号产生单元，产生控制信号，分别控制传输门的通断、以及NMOS管的通断，利用两次LC谐振，实现同时采集振动能和热能并整合输出。该系统可同时采集多种能量源，并进行自启动。

An energy acquisition system for simultaneous acquisition of vibration energy and heat energy

The invention discloses an energy acquisition system for simultaneous acquisition of vibration energy and heat energy, including a synchronous switch vibration energy acquisition unit based on inductance, which is used to collect vibration energy and transform the vibration energy into DC power output, including a piezoelectric device, an inductor L, a parallel connection with a piezoelectric device, and a transmission gate, at pressure. Between the electric device and inductor L; the heat acquisition unit, which is used to collect heat energy, and converts heat into DC power output, is parallel to the synchronous switch vibration energy acquisition unit based on the inductor, including the thermoelectric device, the capacitance C, parallel to the thermoelectric device, and the NMOS tube, between the thermoelectric device and the capacitance C, and the capacitance C and the C Between the inductor L and the control signal generating unit, the control signal is generated to control the connection of the transmission gate and the connection of the NMOS tube, and the two times LC resonance is used to collect the vibration energy and heat energy simultaneously and integrate the output. The system can collect various kinds of energy sources simultaneously and start automatically.

【技术实现步骤摘要】
用于同时采集振动能和热能的能量采集系统
本公开属于电子电路
，涉及一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统。
技术介绍
能量采集技术通过捕获周围环境中的微弱能量，将其转换为电能，为负载提供工作所需的电源电压。单一能量源的能量采集系统在应用中存在一定的局限性，如能量源较弱，导致系统输出功率变小，使得负载无法正常工作。针对存在多种能量源的应用场景，为了增大能量采集系统的输出功率，提高能量源的利用率，可以采用多源能量采集系统对环境中的多种能量源同时进行采集，比如基于振动能和热能的多源能量采集。而现有的基于振动能和热能的能量采集系统存在以下问题：能量采集电路通常以其中一个源，例如振动源或热源，产生的能量去驱动电路中的控制模块，把另一个源的能量作为主要输出。如此一来，对外输出的能量只来自于其中一个能量源，因此并不是真正意义上的多源能量采集。此外，在电路启动时必须有外接电源供电，否则无论输入多大的信号，都无法使电路开始工作。因此，亟需提出一种可以实现同时采集多种能量源的能量采集系统，并且在电路启动时不需要外接电源供电，能够实现自启动供电。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，包括：基于电感的同步开关振动能采集单元，用于采集振动能，并将振动能转化为直流电能输出，包含：压电装置；电感L，与压电装置并联；以及传输门，设于压电装置与电感L之间；热能采集单元，用于采集热能，并将热能转化为直流电能输出，与基于电感的同步开关振动能采集单元并联，包含：热电装置；电容C，与热电装置并联；以及NMOS管，设于热电装置与电容C之间、以及电容C与电感L之间；以及控制信号产生单元，产生控制信号，分别控制基于电感的同步开关振动能采集单元中的传输门的通断、以及热能采集单元中的NMOS管的通断，利用两次LC谐振，实现同时采集振动能和热能并整合输出。在本公开的一些实施例中，该用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，还包括：输出控制单元，其输入端与基于电感的同步开关振动能采集单元的输出端相连，该输出控制单元包含一NMOS管N1，该NMOS管N1采用二极管连接的方式，在该能量采集系统启动时导通，使控制信号产生单元开始工作，从而实现无需外接电源的自启动。在本公开的一些实施例中，输出控制单元还包含：比较器COM1和传输门T1，该输出控制单元通过比较器COM1与传输门T1实现输出控制功能：当传输门T1的输入端电压大于输出端电压时，比较器COM1控制传输门T1导通；当传输门T1的输入端电压小于输出端电压时，比较器COM1控制传输门T1截止，使得该能量采集系统正常工作时，避免出现阈值电压损失。在本公开的一些实施例中，传输门的结构包括：第一NMOS管TN1、第二NMOS管TN2、第三NMOS管TN3、第一PMOS管TP1、第二PMOS管TP2、以及第三PMOS管TP3；其中，第一NOMS管TN1的漏极与第二NMOS管TN2的漏极、第三NMOS管TN3的栅极、第一PMOS管TP1的源极、第二PMOS管TP2的漏极、以及第三PMOS管TP3的栅极相连，并作为传输门的输入端；第一NOMS管TN1的源极与第二NMOS管TN2的栅极、第三NMOS管TN3的漏极、第一PMOS管TP1的漏极、第二PMOS管TP2的栅极、以及第三PMOS管TP3的漏极相连，并作为传输门的输出端；第一NMOS管TN1的衬底与第二NMOS管TN2的衬底、第二NMOS管TN2的源极、第三NMOS管TN3的衬底、以及第三NMOS管TN3的源极相连；第一PMOS管TP1的衬底与第二PMOS管TP2的衬底、第二PMOS管TP2的源极、第三PMOS管TP3的衬底、以及第三PMOS管TP3的源极相连；第一NMOS管TN1的栅极、第一PMOS管TP1的栅极分别与控制信号产生单元相连，作为传输门的控制端。在本公开的一些实施例中，传输门包括：第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3、以及第四传输门TG4；其中，电感L的一端与第一传输门TG1的输出端、第四传输门TG4的输出端相连；电感L的另一端与第二传输门TG2的输出端、第三传输门TG3的输出端相连；压电装置的一端与第一传输门TG1的输入端、第三传输门TG3的输入端相连；压电装置的另一端与第二传输门TG2的输入端、第四传输门TG4的输入端相连。在本公开的一些实施例中，基于电感的同步开关振动能采集单元，还包含：整流模块，其中，压电装置的两端分别连接至整流模块的两个输入端；整流模块的输出端作为基于电感的同步开关振动能采集单元的输出端。在本公开的一些实施例中，整流模块，包括：第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、以及第二PMOS管P2；其中，第一NMOS管N1的衬底、源极与第二NMOS管N2的衬底、源极相连至参考地处；第一PMOS管P1的衬底、源极与第二PMOS管P2的衬底、源极相连，并作为整流模块的输出端；第一NMOS管N1的漏极与第一PMOS管P1的漏极、第二PMOS管P2的栅极、以及第二NMOS管N2的栅极相连，并作为整流模块的输入端与压电装置的一输出端相连；第二NMOS管N2的漏极与第二PMOS管P2的漏极、第一PMOS管P1的栅极、以及第一NMOS管N1的栅极相连，并作为整流模块的输入端与压电装置的另一输出端相连。在本公开的一些实施例中，NMOS管包括：第一NMOS管NT1、第二NMOS管NT2、第三NMOS管NT3、以及第四NMOS管NT4；其中，第一NMOS管NT1的衬底与第二NMOS管NT2的衬底、第三NMOS管NT3的衬底、第四NMOS管NT4的衬底、以及热电装置的负极相连至参考地处；第一NMOS管NT1的源极与第三NMOS管NT3的漏极、电容C的一端相连；第一NMOS管NT1的漏极与热电装置的正极相连；第二NMOS管NT2的漏极与热电装置的负极相连；第二NMOS管NT2的源极与第四NMOS管NT4的漏极、电容C的另一端相连；第三NMOS管NT3的源极、第四NMOS管NT4的源极分别与基于电感的同步开关振动能采集单元中的电感L的两端相连。在本公开的一些实施例中，压电装置包括：并联的压电电容Cp、电流源Ip、以及压电电阻Rp；和/或热电装置包括：串联的电压源Vs和串联电阻Rs。在本公开的一些实施例中，热能采集单元利用电容C存储热电装置产生的能量，利用LC谐振，将电容C上的能量转移到电感L中；每隔半个周期，在压电装置产生电流为零的时刻，电感L与压电电容Cp谐振，将压电电容Cp上的电压极性反转。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，具有以下有益效果：(1)在热能采集单元中设置热电装置与电容C并联，并在热电装置和电容C之间设置由控制信号控制通断的NMOS管；在基于电感的同步开关振动能采集单元中设置压电装置与电感L并联，并在压电装置与电感L之间设置由控制信号控制通断的传输门；以及将热能采集单元与基于电感的同步开关振动能采集单元并联；并在热能采集单元中，电容C与电感L之间的电路中设置由控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，包括：基于电感的同步开关振动能采集单元，用于采集振动能，并将振动能转化为直流电能输出，包含：压电装置；电感L，与压电装置并联；以及传输门，设于压电装置与电感L之间；热能采集单元，用于采集热能，并将热能转化为直流电能输出，与基于电感的同步开关振动能采集单元并联，包含：热电装置；电容C，与热电装置并联；以及NMOS管，设于热电装置与电容C之间、以及电容C与电感L之间；以及控制信号产生单元，产生控制信号，分别控制基于电感的同步开关振动能采集单元中的传输门的通断、以及热能采集单元中的NMOS管的通断，利用两次LC谐振，实现同时采集振动能和热能并整合输出。

【技术特征摘要】
1.一种用于同时采集振动能和热能的能量采集系统，包括：基于电感的同步开关振动能采集单元，用于采集振动能，并将振动能转化为直流电能输出，包含：压电装置；电感L，与压电装置并联；以及传输门，设于压电装置与电感L之间；热能采集单元，用于采集热能，并将热能转化为直流电能输出，与基于电感的同步开关振动能采集单元并联，包含：热电装置；电容C，与热电装置并联；以及NMOS管，设于热电装置与电容C之间、以及电容C与电感L之间；以及控制信号产生单元，产生控制信号，分别控制基于电感的同步开关振动能采集单元中的传输门的通断、以及热能采集单元中的NMOS管的通断，利用两次LC谐振，实现同时采集振动能和热能并整合输出。2.根据权利要求1所述的能量采集系统，还包括：输出控制单元，其输入端与基于电感的同步开关振动能采集单元的输出端相连，该输出控制单元包含一NMOS管N1，该NMOS管N1采用二极管连接的方式，在该能量采集系统启动时导通，使控制信号产生单元开始工作，从而实现无需外接电源的自启动。3.根据权利要求2所述的能量采集系统，其中，所述输出控制单元还包含：比较器COM1和传输门T1，该输出控制单元通过比较器COM1与传输门T1实现输出控制功能：当传输门T1的输入端电压大于输出端电压时，比较器COM1控制传输门T1导通；当传输门T1的输入端电压小于输出端电压时，比较器COM1控制传输门T1截止，使得该能量采集系统正常工作时，避免出现阈值电压损失。4.根据权利要求1所述的能量采集系统，其中，所述传输门的结构包括：第一NMOS管TN1、第二NMOS管TN2、第三NMOS管TN3、第一PMOS管TP1、第二PMOS管TP2、以及第三PMOS管TP3；其中，第一NOMS管TN1的漏极与第二NMOS管TN2的漏极、第三NMOS管TN3的栅极、第一PMOS管TP1的源极、第二PMOS管TP2的漏极、以及第三PMOS管TP3的栅极相连，并作为传输门的输入端；第一NOMS管TN1的源极与第二NMOS管TN2的栅极、第三NMOS管TN3的漏极、第一PMOS管TP1的漏极、第二PMOS管TP2的栅极、以及第三PMOS管TP3的漏极相连，并作为传输门的输出端；第一NMOS管TN1的衬底与第二NMOS管TN2的衬底、第二NMOS管TN2的源极、第三NMOS管TN3的衬底、以及第三NMOS管TN3的源极相连；第一PMOS管TP1的衬底与第二PMOS管TP2的衬底、第二PMOS管TP2的源极、第三PMOS管TP3的衬底、以及第三PMOS管TP3的源极相连；第一NMOS管TN1的栅极、第一PMOS管TP1的栅极分别与控制信号产生单元相连，作为传输门的控制端。5.根据权利要求1所述的能量采集系统，其中，所述传输门包括：第一传输门...

【专利技术属性】
技术研发人员：李延，刘昱，刘欣，张永琥，刘敬丰，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11