能量收集电路从电压源收集能量并使用所收集的能量给储能元件充电。能量收集电路包括能量源、存储从能量源输出的能量的储能电容器、功率变换器电路、储能元件和使能电路。使能电路根据所监控的储能电容器的电容电压来导通和关断升压变换器电路。当升压变换器电路被关断时，储能电容器积累从能量源输出的能量，直到达到参考电压，此后升压变换器电路导通，这使电流能够从储能电容器流到储能元件。当储能电容器放电到最小电压电平时，升压变换器电路被关断。使能电路和参考电压电源都由能量源供电。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及能量收集领域。更具体地，本专利技术涉及低功率能量收集以为储能设备充电的领域。
技术介绍
能量收集电路可用于从能量源收集能量并使用所收集的能量给电池充电。存在常 规的能量收集电路，其被配置成如果能量源电压与电池电压相同或高于电池电压则以非常低的功率水平收集能量。还存在已知的能量收集结构，其用于在收集源电压比输出(电池)电压低8到20倍时以低至大约50uW的水平收集能量。当前需要以几微瓦或小于几微瓦(例如大约2uW)进行能量收集，并且有向下的倾向。较小尺寸的能量源以低电压电平产生低功率水平。这样的能量源的例子是产生大约2uW和大约0.5V的小太阳能电池。问题在于如何收集处于比电池电压小得多的电压电平处的能量，并以有效的手段在那些功率水平处将所收集的电压升高到电池电压。图IA示出了被配置成从低电压的低功率源收集能量以给电池充电的常规能量收集电路的概念示意图。能量收集电路10包括低电压源20、储能电容器Cl、电感器LI、晶体管Tl、二极管Dl、电容器C2、升压控制器电路30、电池40、比较器50、电阻器Rl和电阻器R2。升压控制器电路30、晶体管Tl、电感器LI、二极管Dl和电容器C2形成升压变换器电路。低电压源20是低电平功率源，在概念上被表示为电压源22。在示例性应用中，低电压源20在0. 5V处产生2uW。低电压源20还具有在概念上被表示为电阻器RS的源阻抗。如本文使用的，所提及的“源电压”指的是电压源22两端的电压VS。晶体管Tl起使电流能够从储能电容器Cl流到电感器LI并接着流到电池40的开关的作用，该结构一般被称为升压变换器。当晶体管Tl导通时，等于VC的电压施加在电感器LI上，以允许能量存储在电感器LI中。当晶体管Tl导通时，二极管Dl被反向偏压，从而阻断电池40的电压，且不允许电流从电池40流出。当晶体管Tl被关断时，电感器LI中的所储存的能量流经二极管Dl并将能量输送到电池40中。电容器C2与电池40并联，并用于降低电池40在开关频率处的阻抗，并因此将来自于二极管Dl的能量的脉冲过滤出来。升压控制器电路30提供控制信号作为到晶体管Tl的栅电压，从而导通和关断晶体管Tl。升压控制器电路30向晶体管Tl的栅极提供脉冲宽度调制(PWM)信号，从而对输送到电池40的能量的数量进行调节。在使用这种类型的升压控制器的图IA的示例性能量收集电路中，占空比是固定的，且升压控制器的输出借助于脉冲频率调制(PFM)输入来调节。PFM信号在电压窗口内调节该输出，电压窗口由比较器50中的迟滞的量和参考(REF)输入来设定。在其它例子中，PWM输出的占空比由升压控制器电路30内部的电路来控制，升压控制器电路30内部的电路根据与内部参考比较的输出电压来改变占空比。在图IA的例子中，通过比较器50所提供的PFM使能信号来导通和关断升压控制器电路30。比较器50的第一输入稱合到电池40的输出。比较器50的第二输入稱合到参考电压。当电池电压大于参考电压时，比较器50的输出变低，且这被设置为在完全充电的电池电压处。由于内置在比较器50内的迟滞，比较器50的输出不变高，直到电池电压减小到小于参考电压的最小电压电平。对于电池充电而言,如果电池40处于调节电压(regulation voltage)处,则将没有必要进行收集，这是因为电池已经被充过电了。能量收集电路10使用脉冲频率调制(PFM)来收集由低电压源20产生的低功率水平。这通过使用比较器50监控电池40两端的升高的输出电压来实现。然而，仅在输出处于其期望的调节电平处时，这种类型的变换器才能实现低功率操作，且这是当电池被完全充电时。为了给电池40充电，图IA的升压变换器消耗太多的功率，且不能在2uW水平处实现收集。每当电池40低于由电阻器R1、R2和参考电压(REF)确定的预设电压电平(完全充电)时，比较器50的输出保持高，从而允许升压控制器30连续地运行。对于低于调节电平 并需要充电的电池，图IA的升压控制器30试图输送比在低电压源20处可用的能量更多的能量，从而将向下拉低电压VC。因为升压控制器30需要来自电池40的供电电流来执行其功能，且如果等于VC的电压太低而不允许足够的能量被替换，升压变换器将从电池移除比它将输送到电池中的能量更多的能量。该能量收集电路10的缺点是，为了收集在低电压处的几微瓦的能量，与输送回到电池的能量的数量比较，必须消耗来自电池的更少的能量以操作升压控制器30。即便假设可以克服供电电流问题，图IA的能量收集电路也还存在其它问题。为了收集在2uW水平处的低功率，升压控制器30需要具有与从低电压源20可得到的平均电流相等的平均电感器LI的电流。实现这个低电流的一种方式是使电感器LI变得非常大，这对大部分应用而言是不合乎要求的。使平均电感器电流变得非常低的另一方式是使变换器以非常低的占空比操作，但这将升压变换器限制到一个功率水平并增加了供电电流。在示例性应用中，低电压源20在O. 5V处产生2uW，且电池40具有4V的充电电压。为了在O. 5V处收集2uW，从4V电池到升压控制器30的供电电流需要为大约ΙΟΟηΑ，晶体管Tl的漏极_源极电容需要为大约O. lpF，且电感器LI的阻抗需要为大约40mH。升压变换器的典型供电电流在IOuA到IOOuA的范围内，所以收集低于40uW的能量是不切实际的。比较器50监控电池40的输出，且如果电池电压大于参考电压，则PFM使能信号为低且升压变换器电路关断。即使升压变换器电路关断，比较器50仍然需要功率来操作和执行比较功能。虽然能量收集电路10提供用于周期性地导通和关断升压变换器电路的脉冲调制装置，但是这个架构对给电池40充电而言是无效的。使用能量收集电路10，如果电池40需要被充电，例如所监控的电池输出小于参考电压，则升压控制器电路30将总是导通，且升压变换器电路将总是消耗比它可输送到电池40的功率更多的功率。低电压源20不产生足够的功率来连续给升压变换器电路供电。升压变换器电路将只导通并在进行收集时向下拉低电压VC，并接着消耗比能够从低电压源20输送的功率更多的来自电池40的功率。图IA中采用的PFM类型的方法对导通和关断升压变换器电路是有用的，但能量收集电路不适用于给电池充电。相反，能量收集电路10中使用的PFM类型的方法对消耗来自电池的能量并向负载提供能量脉冲更加有用。例如，图IA的能量收集电路适合于使用电池代替低电压源20，并使用需要仅仅几微瓦的功率输送的负载来代替电池40。在这种结构中，升压变换器电路可以只输送几微瓦，并且升压变换器电路在不被需要时关闭。虽然图IA所描述的能量收集电路对向负载提供能量突发是有用的，但是图IA所描述的能量收集电路没有为电池充电提供有效手段。图IB示出了被配置成收集来自功率源的能量以给电池充电的常规能量收集电路的概念示意图。能量收集电路80包括功率源24、储能电容器C5、电感器L3、二极管D3、电容器C7、变换器控制器电路60、电池42、电容器C6、电阻器R3-R10和使能电路70。变换器控制器电路60、电感器L3、二极管D3、电容器C6和电容器C7形成变换器电路。来自太阳能电池功率源24的能量存储在电容器C5中。变换器控制器电路60具有与图IA的升压控本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·J·洛卡斯西奥，
申请(专利权)人：马克西姆综合产品公司，
类型：
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。