用于机械能量的采集-管理单级融合电路及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种应用于机械能的采集

【技术实现步骤摘要】
用于机械能量的采集
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管理单级融合电路及其控制方法


[0001]本专利技术属于能量采集领域，涉及应用于机械能采集的电能管理电路，特别涉及一种用于机械能量的采集
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管理单级融合电路及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着智能化物联网时代到来，物联网的规模和功能不断扩大，无线传感节点的数量急剧增加，放置的区域和环境更加广泛和复杂，对无线传感节点更换电池变得极为困难。为了解决无线传感器的供电问题，将机械能转换为电能供电的能量采集技术近年来受到学术界和产业界的广泛关注。
[0003]目前利用能量采集技术为无线传感节点供电的系统包括能量采集器和电源管理电路，如图1所示。能量采集器用于转化环境能量为电能，能量采集电路用于获取能量采集器最大的电能并高效为储能器件充电，而电源管理电路用于输出符合无线传感节点需求的稳定供电电压。如2018年，韩国首尔大学的Minbok Lee等人在IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers上发表论文，Design and Analysis of Energy
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Efficient Single
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Pulse Piezoelectric Energy Harvester and Power Management IC for Battery
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Free Wireless Remote Switch Applications提出了一种采用DC
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DC开关电容变换器和降压型DC
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DC开关变换器两级级联的能量采集和电源管理方案。其中第一级的能量采集电路采用6:1DC
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DC开关电容变换器实现最大功率点跟踪；第二级的电源管理电路利用脉冲周期调制方法控制DC
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DC开关变换器实现稳定输出电压。然而，对于这种传统的能量采集与电源管理级联电路结构，由于电路结构复杂，其自身消耗的能量较大，导致能量采集系统整体的效率较低。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]现有采用两个电路即能量采集电路和电源管理电路级联的方式，带来电路体积大、电感多、开关管复用率低的问题，导致电路集成度低、功耗大、难以实现供电模块的小型化，无法满足物联网的发展需求。
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种应用于机械能量的采集
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管理单级融合电路及其控制方法。
[0007]技术方案
[0008]一种用于机械能量的采集
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管理单级融合电路，其特征在于包括AC
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DC全桥整流电路、单电感
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多输出升压
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降压DC
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DC开关变换器和控制器；所述的AC
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DC全桥整流电路将机械能量采集器输出的交流电压变为直流电压；所述的单电感
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多输出升压
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降压DC
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DC开关变换器将全桥整流电路输出的直流电压传输至负载端；所述的控制器包括最大功率点跟踪电路和稳压控制电路，产生用于控制单电感
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多输出升压
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降压DC
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DC开关变换器中的开关的方波信号，实现对机械能量采集器的最大功率点跟踪和稳定负载端电压的双重功能。
[0009]本专利技术进一步的技术方案：所述的单电感
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多输出升压
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降压DC
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DC开关变换器的开关分为两组，输入开关组S1和S2，及输出开关Sout1、Sout2和Sstore，其中Sout1、Sout2为连接负载的开关，Sstore为连接储能器件的开关；输入开关组S1和S2的控制信号相同，由控制器中的最大功率点跟踪电路输出其控制信号；输出开关组需要3个控制信号，分别由控制器中的稳压控制电路输出控制。
[0010]一种用于机械能量的采集
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管理单级融合电路的控制方法，其特征在于：当单电感
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多输出升压
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降压DC
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DC开关变换器的输入电压从0升到二分之一的开路电压之前，控制器输出为0，输入开关组和输出开关组均关断；当单电感
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多输出升压
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降压DC
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DC开关变换器的输入电压升到二分之一的开路电压时，最大功率点跟踪电路输出方波VS
12
控制输入开关组的通断，此时稳压控制电路输出3路控制信号VS
out1
，VS
out1
和VS
store
分别控制输出开关组为负载传输电能；当单电感
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多输出升压
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降压DC
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DC开关变换器的输入电压从二分之一的开路电压下降到达三分之一开路电压时，控制器输出为0，输入开关组和输出开关组完全关断；如此循环，最大功率点跟踪电路通过输出方波VS
12
控制输入开关组，使单电感
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多输出升压
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降压DC
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DC开关变换器的输入电压保持在二分之一和三分之一的开路电压之间，以实现最大功率点跟踪。
[0011]本专利技术进一步的技术方案：所述的输出方波VS
12
的周期和占空比满足公式：
[0012][0013]其中，R
in，buck
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boost
等于能量采集器的内部阻值，L为变换器的电感值，D
′
和T为VS
12
的占空比和周期。
[0014]一种用于机械能量的采集
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管理单级融合电路的控制方法，其特征在于：当单电感
‑
多输出升压
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降压DC
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DC开关变换器的输入电压保持在二分之一和三分之一的开路电压之间时，稳压控制电路开始工作，其余时间稳压控制电路输出为0，输出开关组全部关断；稳压控制开始工作时，稳压控制开关的顺序是：S
out1
导通，S
out2
和S
store
关断，先为第一路负载供电；直到第一路负载达到要求的目标电压时，S
out2
导通，S
out1
和S
store
关断，切换至第二路负载供电；当第二路负载达到要求的目标电压时，再判断第一路负载是否需要充电，如果第一路低于其目标电压，则S
out1
导通，S
out2
和S
store
关断，再为第一路负载供电，如果第一路和第二路都达到目标电压，则S
store
导通，S
out2
和S
out1
关断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于机械能量的采集
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管理单级融合电路，其特征在于包括AC
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DC全桥整流电路、单电感
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多输出升压
‑
降压DC
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DC开关变换器和控制器；所述的AC
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DC全桥整流电路将机械能量采集器输出的交流电压变为直流电压；所述的单电感
‑
多输出升压
‑
降压DC
‑
DC开关变换器将全桥整流电路输出的直流电压传输至负载端；所述的控制器包括最大功率点跟踪电路和稳压控制电路，产生用于控制单电感
‑
多输出升压
‑
降压DC
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DC开关变换器中的开关的方波信号，实现对机械能量采集器的最大功率点跟踪和稳定负载端电压的双重功能。2.根据权利要求1所述的一种用于机械能量的采集
‑
管理单级融合电路，其特征在于所述的单电感
‑
多输出升压
‑
降压DC
‑
DC开关变换器的开关分为两组，输入开关组S1和S2，及输出开关Sout1、Sout2和Sstore，其中Sout1、Sout2为连接负载的开关，Sstore为连接储能器件的开关；输入开关组S1和S2的控制信号相同，由控制器中的最大功率点跟踪电路输出其控制信号；输出开关组需要3个控制信号，分别由控制器中的稳压控制电路输出控制。3.一种权利要求2所述的用于机械能量的采集
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管理单级融合电路的控制方法，其特征在于：当单电感
‑
多输出升压
‑
降压DC
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DC开关变换器的输入电压从0升到二分之一的开路电压之前，控制器输出为0，输入开关组和输出开关组均关断；当单电感
‑
多输出升压
‑
降压DC
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DC开关变换器的输入电压升到二分之一的开路电压时，最大功率点跟踪电路输出方波VS
12
控制输入开关组的通断，此时稳压控制电路输出3路控制信号VS
out1
，VS
out1
和VS
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分别控制输出开关组为负载传输电能；当单电感
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈楠，魏廷存，宋兆峰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：