CN109672331B - 具有振荡结构的能量收集电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量收集电路，用于从至少一个能量源收集能量，包括：振荡电路，包括连接第一振荡电路节点的电感器和用于临时存储来自至少一个能量源的电荷并且与电感器串联连接且连接第二振荡电路节点的第一电容器；第一开关，用于选择性地将至少一个能量源连接到或断开自振荡电路；第二开关，用于在振荡电路的振荡期间在第一电容器两端产生负电压，以在为负时，从能量源收集电荷；电压调节元件，用于控制能量源两端的电压；控制电路，用于控制第一开关和第二开关的打开和闭合；以及时钟信号发生器，用于向控制电路提供第一时钟信号，以允许以时间协调的方式打开和闭合第一开关和第二开关。本发明还涉及一种手表和能量收集电路的操作方法。

Description

具有振荡结构的能量收集电路
技术领域
本发明涉及一种能量收集电路，其布置成从一个或多个能量源收集电能。本发明还涉及一种能量收集电路的操作方法。
背景技术
电子设备中提高功率效率的趋势为能量收集解决方案打开了大门，这些解决方案仅依靠容易获得但通常较弱的能量源来为应用提供动力。能量收集对能量管理带来了新的挑战，要求在能量管理设备以及它们所控制的电路中的高效操作特性。通过低能量特性和高效操作模式的结合，越来越多的半导体器件可以帮助设计人员在能量收集设计中实现高效的能量管理。这些设计包括专门用于能量收集的设备以及用于低能量的应用的低电压的直流-直流(DC-DC)转换器。
能量收集方法的出现是为了满足越来越多的嵌入式应用的日益增加的对“零功率”解决方案的需求，这些嵌入式应用例如应用于汽车、安全、医疗和无线消费电子产品，在其中电池的更换困难、成本高、甚至危险。能量收集设计利用换能器将光、振动、温度梯度和射频(RF)能量转换为可用的但处于较小水平的电压和/或电流的能力。通过累积可从周围能量源获得的微瓦能量，能量收集设计可以实现基本上零功率的操作，即消耗不超过从其周围环境中觅得的能量。能量收集应用的能量管理需要最小的启动和电源电压、零功耗待机能力、超低泄漏和待机电流、以及在小负载下运行时的最高效率。超低功耗DC-DC转换器解决了这些问题的大部分或全部，确保了应用所需的稳定电压和平滑电流。
DC-DC转换器是电子电路或机电装置，其被配置为将直流电源(DC)从一个电压电平转换为另一个电压电平，其是一种电能转换器。功率的范围从非常低(小电池)到非常高(高压电力传输)。DC-DC转换器通常用于便携式电子设备，例如移动电话和膝上型计算机，其主要由电池供电。电子设备通常包含若干子电路，每个子电路具有与电池或外部电源所提供的电压电平要求不同的电压电平要求(有时高于或低于供应电压)。此外，电池电压随着其储存的能量耗尽而下降。被切换的DC-DC转换器提供了一种从部分降低的电池电压来增加电压的方法，从而节省空间而不是使用多个电池来实现相同的目的。然而，DC-DC转换器或电荷泵(其可被视为DC-DC转换器，其使用电容器用于能量电荷存储以升高或降低电压)受到它们从中提取电荷的电压源的限制。如果电压电平过低，则DC-DC电流不足以对供应电容器充电。电荷泵具有相同的问题。如果来自能量源的电压水平不够高，则电荷泵会受到功率损耗的限制。
发明内容
本发明的一个目的是克服上述与电子设备中的能量收集有关的至少一些问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种能量收集电路，用于从至少一个能量源收集能量，所述能量收集电路包括：振荡电路，所述振荡电路包括电感器和第一电容器，所述第一电容器用于临时存储来自所述至少一个能量源的电荷并且与所述电感器串联连接，所述电感器连接到第一振荡电路节点，而所述第一电容器连接到第二振荡电路节点；第一开关，所述第一开关连接在所述第一振荡电路节点和所述至少一个能量源之间，用于选择性地将所述至少一个能量源连接到所述振荡电路或将所述至少一个能量源从所述振荡电路断开；第二开关，所述第二开关连接在所述第一振荡电路节点和基本上处于所述能量收集电路的最低电位的第三振荡电路节点之间，用于在所述振荡电路的振荡期间在所述第一电容器两端产生负电压，以在所述第一电容器两端的电压为负时，从所述至少一个能量源收集电荷；电压调节元件，用于控制所述至少一个能量源两端的电压；控制电路，用于控制所述第一开关和所述第二开关的打开和闭合；以及时钟信号发生器，用于向所述控制电路提供第一时钟信号，以允许以时间协调的方式打开和闭合所述第一开关和所述第二开关。
在一个优选实施例中，所述第一电容器两端的电压被设置为在最大正电压值和最小负值之间振荡，使得振荡周期具有与所述第一时钟信号基本相同的周期长度。
在一个优选实施例中，所述第一开关设置成在所述第二开关打开时闭合以及在所述第二开关闭合时打开。
在一个优选实施例中，所述能量收集电路还包括第二电容器和第三开关，使得所述第二电容器通过所述第三开关连接到所述第一振荡电路节点。
在一个优选实施例中，所述第二电容器被设置为在所述第三开关闭合时利用来自所述第一电容器的电荷充电。
在一个优选实施例中，所述控制电路被设置为产生第二时钟信号，用于控制所述第三开关的操作。
在一个优选实施例中，所述第二时钟信号的时钟频率不同于所述第一时钟信号的时钟频率。
在一个优选实施例中，所述能量收集电路还包括连接到所述第三开关的电流调节元件，用于防止电流从所述第二电容器流到所述第一振荡电路节点。
在一个优选实施例中，所述时钟信号发生器包括晶体振荡器，所述晶体振荡器包括石英晶体，或RC振荡器，或环形振荡器或锁相环。
在一个优选实施例中，所述能量收集电路设置成从多个能量源获取能量，使得所述能量收集电路包括在所述多个能量源和所述振荡电路之间的一组第一开关。
在一个优选实施例中，所述控制电路被设置为控制所述一组第一开关的操作，使得一次仅一个能量源连接到所述振荡电路。
在一个优选实施例中，所述第一开关和所述第二开关是n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
在一个优选实施例中，所述至少一个能量源是以下中的任何一个：太阳能电池、热电发电机、磁感应电路、压电元件或电池。
所提出的新的解决方案具有以下优点：能量收集电路不受能量源的功率限制，因为电路的电容器可以以谐振频率充电，如稍后更详细地说明的那样。由于可用的时钟信号发生器(可以是石英振荡器)将操作同步而无需复杂的逻辑电路或模拟信号处理，即使能量源的功率很低，也能够重要地以较低的功率损耗提取电荷或带电粒子并将其存储在电容器中。
根据本发明的第二方面，提供一种手表，其包括上述的能量收集电路。
根据本发明的第三方面，提供了一种能量收集电路的操作方法，其中，所述操作方法包括：当第一电容器两端的电压基本上为最小负电压电平时，闭合第一开关中的一个，以将能量源连接到所述能量收集电路，以允许从所述能量源收集电荷，并基本上同时打开第二开关。
附图说明
参考附图，通过以下对非限制性示例实施例的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1是示出根据本发明的一个示例的所提出的能量收集电路的一些元件的电路图；
图2是示出根据本发明的一个示例的所提出的能量收集电路的模拟配置的电路图；
图3是示出在图2的电路中测量的一些信号波形的信号图；
图4是以更详细的视图示出图3中所示的信号波形的一部分的信号图；以及
图5示出了图2的电路配置，并进一步示出了用于操作能量收集电路的一些方法步骤。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述本发明的实施例。将在诸如手表的电子钟表的背景下描述本发明。然而，本发明的教导不限于该环境。在不同附图中出现的相同或相应的功能和结构元件被赋予相同的附图标记。
图1示出了根据本发明的示例的能量收集电路1的电路图。在该示例中，可以从多个外部能量源3收集或觅得电能。图1中示出了四个能量源，即太阳能电池，热电发电机(TEG，也称为塞贝克发电机)、磁感应电路，压电元件或电池。为了从热量中回收能量，可以使用TEG，其是固态装置，被布置成通过称为塞贝克效应(一种热电效应的形式)的现象将热通量(温度差)直接转换成电能。TEG通常起到热机的作用，但体积较小且没有活动部件。根据本发明，能量收集电路1被布置成在以下示例中逐个地从所有能量源3收集能量，而不管它们的电压电平或电流如何。
能量收集电路1包括振荡电路，该振荡电路包括被称为线圈的外部电感器Le和与线圈Le串联连接的被称为外部电容器的第一电容器Ce。振荡电路连接在第一振荡电路节点4和连接到地的第二振荡电路节点5之间。换句话说，外部电容器Ce的一个电极接地。第一振荡电路节点4通过第一开关S1，S2，S3，S4连接到能量源3，更具体地是连接到称为源电容器Cs1，Cs2，Cs3，Cs4的第二电容器，这些源电容器可以被认为是能量源3的一部分。因此，在相应的能量源3的输出端，提供相应的源电容器Cs1，Cs2，Cs3，Cs4，这些源电容器的两个电极中的一个接地。在该示例中，第一开关是晶体管，更具体地是n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这些开关的操作由被称为逻辑电路的控制电路6控制。更具体地，逻辑电路6被配置为调整晶体管S1，S2，S3，S4的栅极电压以调整源极节点和漏极节点之间的沟道的导电率。以这种方式，第一开关S1，S2，S3，S4被设置成闭合或打开。在本说明书中，当称开关闭合时，源极节点和漏极节点之间的路径是导电的，而当称开关打开时，则该路径不导电。
逻辑电路6从时钟信号发生器7接收其定时或时钟信号，在该示例中，时钟信号发生器7是石英振荡器，也称为晶体振荡器。换句话说，逻辑电路6由石英振荡器7提供的时钟信号驱动。
应注意，时钟信号发生器也可以是RC振荡器或环形振荡器或锁相环(PLL)。
在第一振荡电路节点4和地之间设置有第二开关9，在该示例中，第二开关9是晶体管，更具体地是n型MOSFET。第二开关9的操作也被设置为由逻辑电路6控制。电压调节元件或单元11与第二开关9并联设置。在该示例中，电压调节元件11是二极管连接的晶体管，在该示例中是p型MOSFET。这两个晶体管的源极节点接地，而漏极节点连接到第一振荡电路节点4。电压调节元件11的目的是控制能量源3两端的电压，或者更具体地说，是控制能量源3的源电容器Cs1、Cs2、Cs3和Cs4两端的电压。以这种方式，可以避免任何源电容器Cs1、Cs2、Cs3和Cs4两端的任何负电压。在本说明书中应注意，当一个元件被称为接地时，它可以替代地连接到处于电路的最低电位处的电路节点。该电位有利地固定在给定水平。
图1的示例的能量收集电路1还包括连接到第一振荡电路节点4的第三开关13。在该示例中，第三开关13是晶体管，更具体地是n型MOSFET，使得该晶体管的源极节点连接到第一振荡电路节点4。被称为供电电容器的第二电容器15串联连接在第三开关13和地之间。供电电容器15的目的是收集来自外部电容器Ce的电荷，这将在后面更详细地说明。这种配置使得即使在外部电容器Ce两端使用高振荡电压以从能量源3收集小电荷时也能确保外部电容器Ce的电容和供电电容器15的电容之间的有效隔离。利用其中供电电容器15通过第三开关13连接到第一振荡电路节点4的这种配置，第三开关13必须处理在其连接到第一振荡电路节点4的源极节点处的零或相对低的电压(漏极节点连接到供电电容器15)。
总之，示例性能量收集电路1具有以下特征：
-位于能量源3的输出处的源电容器Cs1。
-用于线圈和接地连接的N型MOSFET开关S1和9。
-以二极管模式连接的P型MOSFET 11。
-用于存储来自如图1所示的每个源的能量的线圈Le和外部电容器Ce。
-线圈Le连接在外部电容器Ce之前，以避免外部电容器Ce两端的负电压也反应在第二开关9上。否则将难以隔离外部电容器Ce。
以下描述说明了可以从任何一个能量源3收集电荷的方式。在能量收集电路1中，当第二开关9闭合时，振荡电路基本上以与石英相同的频率振荡。然而，当振荡电路通过第一开关S1、S2、S3、S4连接到能量源3中的任何一个时，振荡频率可以稍微改变。这避免了处理模拟信号以获得微分信号或积分信号。这进一步意味着可将电流消耗降低到最小，避免偏置阶段和放大阶段。当在外部电容器Ce上的电压处于最小值(负电压)时，第二开关9打开并且基本上同时地第一开关S1、S2、S3、S4中的一个闭合，使得能量源3中的一个通过相应的开关S1、S2、S3、S4连接到线圈Le，该线圈Le准备好提取电荷/多个电荷并将该电荷/多个电荷存储在外部电容器Ce中。在该示例中，第一开关保持闭合，直到外部电容器Ce两端的电压达到其最大值。
通过检查能量收集电路1的上述操作，可以观察到，每当外部电容器Ce上的电压处于其最小值或低于与再充电相关的某一规划过的电压水平时，外部电容器Ce便连接到源电容器Cs1、Cs2、Cs3、Cs4。同时，线圈Le上的电压处于其最大值，因此即使源电容器仅具有很少的电荷，收集电路也能够收集这些电荷。
与DC-DC电路相比，所提出的解决方案具有重要的优点。如果使用DC-DC电路而不是该提出的解决方案并且如果源电容器仅具有很少的电荷，则外部线圈中的电流不足以在外部电容器中存储电荷，因为寄生电阻耗费掉线圈中的低能量。相比之下，利用所提出的解决方案，提供了外部线圈Le上的最大可能电压差，并且如果仍然不够，则电路仅需要等待下一个振荡周期，在该下一个振荡周期中将由其他能量源增大所述电压差。换句话说，能量收集电路1被配置成在每个振荡周期之后从另一个能量源收集电荷，如果这被逻辑电路6认为是有益的话。与电荷泵相比的优点也是明确的。如果使用电荷泵，则外部能量源上的电压电平可以乘以固定量，但不是无限的，因为每个电荷泵级都会引入额外的电阻，这会耗费可用的功率。利用所提出的解决方案，可以保持振荡电路振荡直到达到规定的电压电平，然后将电荷存储在直接连接到主供电源(图中未示出)的供电电容器15中。
图2示出了电路图，该电路图示出了用于如下所述的模拟中的示例性的电路配置。外部能量源3(在该示例中是电流源，例如太阳能电池)由电流源17、电阻器19和一个源电容器Cs1(全部并联配置)表示。在该示例中，时钟信号发生器7包括分别产生第一时钟信号和第二时钟信号的第一电压源和第二电压源。在该示例中，电压调节元件11是二极管，用于在外部能量源3不能为线圈Le提供足够的电荷的情况下为源电容器Cs1提供低(负)电压保护。逻辑电路6在该示例中是简单的，并且包括第一与门21、第二与门23、第一非门25和第二非门27。逻辑电路用于控制能量收集电路的开关的打开和关闭。无需特殊的模拟电路来对复杂的信号进行比较、微分或积分。外部线圈Le和外部电容器Ce以给定的固定振荡周期长度以石英频率振荡，并且电荷以谐振率(对应于石英频率)传递到外部电容器Ce而没有复杂的调节电路。图2的电路还包括电流调节元件29，在该示例中，电流调节元件29是连接在第三开关13和供电电容器15之间的二极管29。也可以例如使用二极管连接的晶体管代替二极管。该电流调节元件的目的是防止电流或电荷从供电电容器15流向外部电容器Ce。
图3示出了在图2的模拟电路中测量的一些信号波形，而图4以特写图更详细地示出图3中的信号的一部分。从顶部开始的第一信号波形(在图3和4中显示为“1”)是由时钟信号发生器7产生的主时钟信号(CLK)。在该示例中，主时钟信号是方波。换句话说，它是这样一种波形：其中幅值在固定的最小值和最大值之间以稳定的频率交替，并且在最小值和最大值处具有相同的持续时间。基于该时钟信号，逻辑电路6产生另外的时钟信号，即从顶部开始数的第二、第三和第六信号。这些信号分别在如图2所示的电路节点31、33和35处测量。在该示例中，第二和第三信号具有与主时钟信号相同的频率。在图3和图4中，从顶部开始的第四信号示出了在节点37处测量的源电容器Cs1两端的电压值。第五信号波形示出了在节点39处测量的外部电容器Ce上的电压值如何在正值和负值之间振荡。在这种情况下，波形类似于正弦波形，但具有不断增加的幅值，直到某个时间点。在图3和图4的底部所示的第七信号波形示出了当电荷从外部电容器Ce传输到供电电容器15时，供电电容器15两端的电压值如何逐渐增加。该电压在电路节点41处测量。
通过检查图3和4的信号波形，可以进行以下观察。第一开关S1和第二开关9由两个相反的时钟信号驱动。换句话说，当其中一个时钟信号处于逻辑1时，另一个处于逻辑0，或者相反。这意味着，当第一开关S1闭合时，第二开关9断开，或者相反。以这种方式，第一开关和第二开关的切换可以以同步方式发生。如果使用多个外部能量源3，则仅当所有第一开关S1、S2、S3、S4都闭合时，第二开关9才打开。随着电荷转移到外部电容器Ce，第四信号的信号电平逐渐降低。当第一开关S1闭合时发生电荷转移。由于线圈Le和石英钟(其控制所述开关以及线圈Le与外部能量源3的连接)之间的共振效应，第五信号的振荡幅度随时间增加。在每个振荡周期(由主时钟信号的两个连续相等状态之间的时间差限定)，一些电荷增加振荡信号的幅值。主时钟信号的周期长度(图3和4中的第一信号)在该示例中与第五信号的周期长度基本相同。这可以通过例如调节外部线圈Le和/或外部电容器Ce的尺寸以匹配主时钟信号频率来实现，或者可以通过调节主时钟信号频率以匹配振荡电路的谐振频率。当第六信号上升到逻辑1时，来自外部电容器Ce的电荷被转移到供电电容器15。第七信号示出了每当第五信号达到逻辑1的电平时，供电电容器15两端的电压如何逐步增加。
接下来参考图5总结操作能量收集电路1的过程。
1)一些电荷首先转移到外部电容器Ce，因为在启动时，外部能量源3通过线圈Le对空的外部电容器Ce充电。
2)逻辑电路闭合第二开关9(除非已经闭合)并打开第一开关S1。结果，来自外部电容器Ce的电荷接地，对线圈Le的磁场充电，这继而使得外部电容器Ce放电，使得外部电容器Ce两端的电压变为负。以这种方式，外部电容器Ce总是准备好接收来自外部能量源3之一的其他电荷，而不管外部能量源3的电压电平如何。
3)当逻辑电路6闭合第一开关S1并打开第二开关9时，发生下一个充电周期。在该充电周期期间，外部能量源3可以是与前一周期相同的能量源或另一能量源，即连接到开关S2、S3或S4的任何一个能量源。合适的能量源的选择可以通过逻辑电路6来进行。该选择可以基于例如不同能量源3的能量水平来进行。
4)最后，可能在许多充电周期之后，电荷被转移到供电电容器15并存储在那里。供电电容器两端的电压电平为正且基本恒定，即没有振荡。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述被认为是说明性或示例性的而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。基于对附图、所公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实施要求保护的发明时可以理解并且可以实现其他实施例和变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一种”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载不同特征的仅有事实不表示不能有利地使用这些特征的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制本发明的范围。

Claims (15)

1.一种能量收集电路(1)，用于从至少一个能量源(3)收集能量，所述能量收集电路包括：
-振荡电路，所述振荡电路包括电感器(Le)和第一电容器(Ce)，所述第一电容器(Ce)用于临时存储来自所述至少一个能量源(3)的电荷并且与所述电感器(Le)串联连接，所述电感器(Le)连接到第一振荡电路节点(4)，而所述第一电容器(Ce)连接到第二振荡电路节点(5)；
-第一开关(S1，S2，S3，S4)，所述第一开关连接在所述第一振荡电路节点(4)和所述至少一个能量源(3)之间，用于选择性地将所述至少一个能量源(3)连接到所述振荡电路或将所述至少一个能量源(3)从所述振荡电路断开；
-第二开关(9)，所述第二开关连接在所述第一振荡电路节点(4)和基本上处于所述能量收集电路的最低电位的第三振荡电路节点之间，用于在所述振荡电路的振荡期间在所述第一电容器(Ce)两端产生负电压，以在所述第一电容器(Ce)两端的电压为负时，从所述至少一个能量源(3)收集电荷；
-电压调节元件(11)，用于控制所述至少一个能量源(3)两端的电压，所述电压调节元件与所述第二开关并联设置；
-控制电路(6)，用于控制所述第一开关(S1，S2，S3，S4)和所述第二开关(9)的打开和闭合；以及
-时钟信号发生器(7)，用于向所述控制电路(6)提供第一时钟信号，以允许以时间协调的方式打开和闭合所述第一开关(S1，S2，S3，S4)和所述第二开关(9)。
2.根据权利要求1所述的能量收集电路(1)，其中，所述第一电容器(Ce)两端的电压被设置为在最大正电压值和最小负值之间振荡，使得振荡周期具有与所述第一时钟信号基本相同的周期长度。
3.根据权利要求1所述的能量收集电路(1)，其中，所述第一开关(S1，S2，S3，S4)设置成在所述第二开关(9)打开时闭合以及在所述第二开关(9)闭合时打开。
4.根据权利要求1所述的能量收集电路(1)，其中，所述能量收集电路(1)还包括第二电容器(15)和第三开关(13)，使得所述第二电容器(15)通过所述第三开关(13)连接到所述第一振荡电路节点(4)。
5.根据权利要求4所述的能量收集电路(1)，其中，所述第二电容器(15)被设置为在所述第三开关(13)闭合时利用来自所述第一电容器(Ce)的电荷充电。
6.根据权利要求4所述的能量收集电路(1)，其中，所述控制电路(6)被设置为产生第二时钟信号，用于控制所述第三开关(13)的操作。
7.根据权利要求6所述的能量收集电路(1)，其中，所述第二时钟信号的时钟频率不同于所述第一时钟信号的时钟频率。
8.根据权利要求4所述的能量收集电路(1)，其中，所述能量收集电路(1)还包括连接到所述第三开关(13)的电流调节元件(29)，用于防止电流从所述第二电容器(15)流到所述第一振荡电路节点(4)。
9.根据权利要求1所述的能量收集电路(1)，其中，所述时钟信号发生器(7)包括晶体振荡器，所述晶体振荡器包括石英晶体，或RC振荡器，或环形振荡器或锁相环。
10.根据权利要求1所述的能量收集电路(1)，其中，所述能量收集电路(1)设置成从多个能量源获取能量，使得所述能量收集电路包括在所述多个能量源(3)和所述振荡电路之间的一组第一开关(S1，S2，S3，S4)。
11.根据权利要求10所述的能量收集电路(1)，其中，所述控制电路(6)被设置为控制所述一组第一开关的操作，使得一次仅一个能量源(3)连接到所述振荡电路。
12.根据权利要求1所述的能量收集电路(1)，其中，所述第一开关和所述第二开关是n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
13.根据权利要求1所述的能量收集电路(1)，其中，所述至少一个能量源(3)是以下中的任何一个：太阳能电池、热电发电机、磁感应电路、压电元件或电池。
14.一种手表，包括根据权利要求1所述的能量收集电路(1)。
15.一种根据权利要求1所述的能量收集电路(1)的操作方法，其中，所述操作方法包括：当第一电容器(Ce)两端的电压基本上为最小负电压电平时，闭合第一开关(S1，S2，S3，S4)中的一个，以将能量源(3)连接到所述能量收集电路(1)，以允许从所述能量源(3)收集电荷，并基本上同时打开第二开关(9)。
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