一种用于电磁振动能源采集器的电源管理电路制造技术

本发明专利技术涉及一种用于电磁振动微能量采集器的电源管理电路。该管理电路包括自启动有源整流电路模块、MPPT控制模块、DC

【技术实现步骤摘要】
一种用于电磁振动能源采集器的电源管理电路


[0001]本专利技术属于能量采集
，涉及一种用于电磁振动微能量采集器的电源管理电路。

技术介绍

[0002]能量采集技术至今已经有超过20多年的发展历史。在很长一段时间里，由于其输出功率很低，受环境影响很大，电压电流不稳定，应用领域狭窄，能量采集技术发展十分缓慢。但是，近年来，随着无线传感器网络技术和MENS的飞速发展，出现了各种超低功耗的设备，能源采集器的应用也得以日益广泛。
[0003]为传感器供能方面，传统的方法是采用电池供能，但在越来越多的设备中定期更换电池是一项昂贵且耗时的任务。此外，如果将设备嵌入在难以接近的区域(例如道路隧道和建筑物)中，则电池更换工作极大地增加了维护成本，甚至因为无法更换电池从而极大的缩减了无线传感器的使用寿命，这将制约无线传感器的发展。因此，将环境中的能量利用起来，通过能量采集器采集太阳能，热能和来自周围环境的振动能等，并转化为电能进行使用成为了重点关注对象。
[0004]但与电池供电相比，由于能量采集器输出的电压电流不稳定，受环境影响很大，不能直接对需要稳定工作电压电流的负载网络供电，能量采集器与无线传感网络之间需要有电源管理电路。比如电磁振动能量采集器，产生的电压受到环境中振动的频率和振幅影响，小型电磁振动能量采集器具有低电压、低功率特性，跟无线传感器负载之间存在严重的电压和暂态功率不匹配问题，因此它们之间必须有电源管理电路。
[0005]为了更好的利用能量采集器收集的环境能，则一种工作电压低功耗低转换效率高，能够最大提取采集器的输出功率的电源管理电路相当重要。

技术实现思路

[0006]鉴于上述问题，本专利技术的目的在于提供一种用于电磁振动微能量采集器的电源管理电路，实现低压自启动、最大功率点追踪、充放电管理，为低功耗用电模块提供稳定的3.3V供电电压。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种用于电磁振动微能量采集器的电源管理电路，其特征在于，该电源管理电路包括自启动有源整流电路模块、MPPT控制模块、DC
‑
DC转换器模块、输出管理模块。
[0009]自启动有源整流电路模块的输入端与电磁震动能量采集器电连接，输出端与MPPT控制模块电连接；MPPT控制模块的输出端与DC
‑
DC转换器模块的控制端电连接；DC
‑
DC转换器模块的输出端与输出管理模块的输入端电连接；输出管理模块与负载电连接。
[0010]进一步，所述自启动有源整流电路模块由四个MOS管和两个比较器以及整流电容组成，自启动有源整流电路采用四倍压整流电路，采用比较器和MOS管代替倍压整流电路中的二极管，消除二极管的导通损耗，提高效率。NMOS和PMOS的G级分别只通过一个比较器输
出控制，比较器由四倍压输出自供电，实现高效低压自启动交流转直流。
[0011]进一步，所述MPPT控制模块包括高通滤波、差分电路、包络检波、比较器电路、采样保持电路和同相迟滞比较电路。
[0012]整流电路连接高通滤波，高通滤波输出到差分电路，差分电路的输出经由包络检波，连接至比较器电路，比较器电路输出采样保持电路的控制信号，采样保持电路输出端连接同相迟滞比较器输入端；
[0013]高通滤波峰值对应能源采集器经过整流输出的最大功率点，差分电路对高通滤波输出进行差分通过后一级的比较器检测出高通滤波的峰值，即信号源整流输出的最大功率点，随后采样保持，经由同相迟滞比较器控制后端电路工作，实现MPPT。
[0014]进一步，所述MPPT控制模块中的采样保持电路由两路MOS管和电容组成，PMOS管D级连接电阻分压器，S级连接采样保持电容和同相迟滞比较器负极输入端；NMOS管D级连接倍压整流输出端，S级连接采样保持电容和同相迟滞比较器正极输入端，可以根据采集器的输出自适应调整后端电路工作时，整流输出电压工作窗口大小和范围。
[0015]进一步，所述DC
‑
DC转换器模块包括DC
‑
DC升压芯片电路和储能电容，DC
‑
DC转换器模块主要实现电平的调整，利用DC
‑
DC升压芯片为储能电容充电，便于电能的存储及使用。
[0016]进一步，所述MPPT控制模块通过同相迟滞比较器输出数字控制信号输入DC
‑
DC升压芯片的EN引脚，控制DC
‑
DC转换器模块是否工作，保证能量采集器高的输出效率。
[0017]进一步，所述输出管理模块，DC
‑
DC降压/升压转换芯片电路，监控储能器件中电量多少，控制负载的工作或关断，为负载提供稳定的供电电压。
[0018]本专利技术的有益效果在于：本专利技术四倍整流部分采用MOS管代替二极管，且通过单个比较器控制多路MOS管导通关断，实现电路低压自启动且整流损耗小；MPPT控制模块采用高通滤波，无需像传统FVOC方式采样供电源开路电压，且加入采样保持电路和同相迟滞比较器模块，更容易控制供电源输出电压情况，更大的提取采集器的输出功率；本专利技术采用TPS61099电源管理模块对所采集到的能量进行管理，并由储能电容进行储能，由TPS63900进行放电管理，保证电源管理电路的能量高效转换同时为负载提供稳定的3.3V供电电压。
附图说明
[0019]图1是用于电磁振动微能量采集器具有MPPT电源管理电路的整体结构图。
[0020]图2是自启动有源整流电路原理图。
[0021]图3是能量采集器和整流电路等效RC电路图。
[0022]图4是MPPT控制模块电路原理图。
[0023]图5是采样保持电路和迟滞部分原理框图。
[0024]图6是同相迟滞比较器输入输出状态图。
[0025]图7是DC
‑
DC转换器模块电路原理图。
[0026]图8是输出管理模块电路原理图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述。如图2所示，自启动有源整流采用MOS管代替倍压整流电路中的二极管，由比
较器控制MOS管的开断，比较器由四倍压输出供电，在电路工作一开始时，电路通过MOS管中的体二极管导通整流，待整流输出电压达到比较器工作电压开始正常工作时，MOS管开始正常工作，电路通过MOS管导通整流，实现零导通压降整流，消除二极管的导通损耗。由于NMOS在整流电路中导通关断状态相同，可以只用一个比较器控制，同理PMOS管也是。
[0028]如图3所示，能量采集器和整流电路可以等效成RC电路，V
ci
电压可以表示为：
[0029]其中τ＝R
e
C
i
.(1)
[0030]通过测试得到能量采集器和整流电路的等效Re，就可以得到时间常数τ。如图4所示，整流后的直流电压直接接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电磁振动微能量采集器的电源管理电路，其特征在于，包括:自启动有源整流电路模块、MPPT控制模块、DC
‑
DC转换器模块和输出管理模块；自启动有源整流电路模块的输入端与电磁震动能量采集器电连接，输出端与MPPT控制模块电连接；MPPT控制模块的输出端与DC
‑
DC转换器模块的控制端电连接；DC
‑
DC转换器模块的输出端与输出管理模块的输入端电连接；输出管理模块与负载电连接。2.根据权利要求1所述的一种用于电磁振动微能量采集器的电源管理电路，其特征在于：所述自启动有源整流电路模块，包括：四个MOS管、两个比较器和整流电容，自启动有源整流电路采用四倍压整流电路，采用比较器和MOS管代替倍压整流电路中的二极管，消除二极管的导通损耗，提高效率；NMOS和PMOS的G级分别只通过一个比较器输出控制，比较器由四倍压输出自供电，实现高效低压自启动交流转直流。3.根据权利要求1所述的一种用于电磁振动微能量采集器的电源管理电路，其特征在于：所述的MPPT控制模块包括：高通滤波、差分电路、包络检波、比较器电路、采样保持电路和同相迟滞比较电路；整流电路连接高通滤波，高通滤波输出到差分电路，差分电路的输出经由包络检波，连接至比较器电路，比较器电路输出采样保持电路的控制信号，采样保持电路输出端连接同相迟滞比较器输入端；高通滤波的峰值对应能源采集器经过整流输出的最大功率点，差分电路对高通滤波输出进行差分通过后一级的比较器检测出高通滤波的峰值，即信号源整流...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜光文，王宁宁，张正民，刘磊，叶挺聪，庞宇，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：