CN112310989A - 一种溢流储能式电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溢流储能式电源电路，包括储能电路、整流滤波电路、升压电路、过压检测电路、过流检测电路、第一开关控制电路S1和第二开关控制电路。在基于弹性储能元件的微型发电机的工作过程中，发电机的转速由高到低逐渐衰减。正常工作时，在过压检测电路的控制下，储能电路在转速较高的前一阶段存储多余的电能，在转速较低的后一阶段通过升压电路释放所存电能；发生过载时，在过流检测电路的控制下，储能电路存储发电机产生的电能以供后续使用。本发明延长了基于弹性储能元件的微型发电机的供电时间，提高了发电机总体的效率。

Description

一种溢流储能式电源电路

技术领域

本发明属于微型发电机领域，具体涉及到一种溢流储能式电源电路。

背景技术

在一些有长期贮存要求的便携式设备中，为了保证在贮存期限内其配套的电源不失效，往往采用基于微型发电机的物理电源而非电池等化学电源。此类微型发电机主要利用弹簧、卷簧或发条等弹性元件储能，在贮存前将这些元件拧紧，当便携式设备需要供电时，通过释放弹性元件，将其存储的弹性势能转换为电能以支持设备正常工作。

CN201710011983.2公开了一种《弹簧发条微型发电器》，该发明通过人力旋转旋纽对弹簧发条储能，再由阻尼片和阻尼齿轮相互配合控制发条缓慢释放，将弹性势能平稳地转换为电能。然而，该发明虽通过加入阻尼片和阻尼齿轮延长了供电时间，但发电机低转速时间仍然较长，而在发电机低转速时提供的电压较低，其后级电路一般不能正常工作，其剩余动能得不到充分利用，另外在过载时其储存的能量也会被迅速释放，这两方面原因使得该发明的转换效率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种溢流储能式电源电路，适配于微型发电机，使得发电机在低转速甚至停止转动后的一段时间内，仍能够将正常供电，且在过载时，能将发电机产生的电能再次储存起来。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种溢流储能式电源电路，包括储能电路、整流滤波电路、升压电路、过压检测电路、过流检测电路、第一开关控制电路S1和第二开关控制电路S2。发电机的输出端连接至整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端分为两路，一路与过流检测电路输入端直接相连，另一路依次通过第一开关控制电路S1、储能电路、升压电路与过流检测电路的输入端相连，过流检测电路的输出端通过第二开关控制电路S2与负载相连。过压检测电路的输入端与过流检测电路的输入端相连，过压检测电路的输出端与第一开关控制电路S1的控制端相连，过流检测电路的输出端与第一开关控制电路S1、第二开关控制电路S2的控制端相连。利用储能电路，可以在发电机转速较高或过载时将多余的电能储存起来；利用升压电路，可以在发电机转速较低或停止转动时，将之前所储存的电能升至所需电压，以延长发电机的供电时间，提高效率；利用过流检测电路，可以在过载时切断负载，将电能存至储能电路中以供后续使用。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）能够在基于弹性储能元件的微型发电机的转速较高时将多余的电能存至储能电路中，而在发电机的转速较低甚至停止转动后的一段时间内，从储能电路中取出电能供负载使用，延长了发电机的供电时间。

（2）没有刻意提高发电机的阻尼，使发电机的低转速运行时间较短，充分利用了发电机的动能，提高了发电机的效率。

（3）在过载时，停止给负载供电，将电能存储在储能电路中以供后续使用，避免了过载时电能的浪费问题。

附图说明

图1为本发明溢流储能式电源电路的原理框图。

图2为本发明溢流储能式电源电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明所述的一种溢流储能式电源电路，适配于微型发电机，包括储能电路、整流滤波电路、升压电路、过压检测电路、过流检测电路、第一开关控制电路S1和第二开关控制电路S2。

如图1所示，实线表示主电路之间的连接，虚线表示控制电路之间的连接。在主电路中，发电机的输出端连接至整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端分为两路，一路与过流检测电路输入端直接相连，另一路依次通过第一开关控制电路S1、储能电路、升压电路与过流检测电路的输入端相连，过流检测电路的输出端通过第二开关控制电路S2与负载相连。在控制电路中，过压检测电路的输入端与过流检测电路的输入端相连，过压检测电路的输出端与第一开关控制电路S1的控制端相连，过流检测电路的输出端与第一开关控制电路S1、第二开关控制电路S2的控制端相连。

其中，利用储能电路，可以在发电机转速较高或过载时将多余的电能储存起来；利用升压电路，可以在发电机转速较低或停止转动时，将之前所储存的电能升至所需电压，以延长发电机的供电时间，提高效率；利用过流检测电路，可以在过载时切断负载，将电能存至储能电路中以供后续使用。

如图2所示，下面依次对上述储能电路、整流滤波电路、升压电路、过压检测电路、过流检测电路、第一开关控制电路S1和第二开关控制电路S2的电路结构和原理进行说明：

所述储能电路包括第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一基准源U1、第二基准源U2、第三基准源U3、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。第二电容C2的负极和第一基准源U1的阳极分别接地，第二电容C2的正极分为两路，一路连接第一基准源U1的参考引脚，另一路连接第三电容C3的负极，第一电阻R1的一端连接第一基准源U1的阴极，另一端分别连接第一基准源U1的参考引脚和第二基准源U2的阳极，第三电容C3的正极分为两路，一路连接第二基准源U2的参考引脚，另一路连接第四电容C4的负极，第二电阻R2的一端连接第二基准源U2的阴极，另一端分别连接第二基准源U2的参考引脚和第三基准源U3的阳极，第四电容C4的正极连接第三参考源U3的参考引脚，第三电阻R3的一端连接第三基准源U3的阴极，另一端分为三路，第一路连接第三参考源U3的参考引脚，第二路连接升压电路，第三路连接第一开关控制电路S1。

所述储能电路中，三个电容均为法拉电容，三个基准源的型号均为TL431。三个法拉电容依次串联所得的储能电路的耐压值远高于单个法拉电容，且当充电电压高于TL431内部的基准电压值时，其输出级的三极管导通，法拉电容通过TL431所在支路泄流，以确保法拉电容的两端电压不会超过自身的耐压值。

所述整流滤波电路，包括第一整流桥D1和第一电容C1。发电机的输出端与第一整流桥D1的交流输入端相连，而第一整流桥D1的直流输出端与第一电容C1并联，第一电容C1的负极接地，第一电容C1的正极依次与升压电路和第一开关控制电路S1连接。

所述整流滤波电路中，发电机输出的正弦电压经整流、滤波后得到脉动的直流电压。

所述升压电路包括第四电源管理芯片U4、第四二极管D4、第一三极管Q1、第一电感L1、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻R10。第四电源管理芯片U4的补偿引脚Vc依次通过第七电阻R7和第六电容C6接地，第四电源管理芯片U4的反馈引脚FB通过第九电阻R9接地，第十电阻R10的一端连接第四电源管理芯片U4的反馈引脚FB，另一端分为三路，其中第一路连接第七电容C7的正极，第二路连接第四二极管D4的阴极，第三路连接第一开关控制电路S1，第四电源管理芯片U4的关闭引脚SHDN分别连接第六电阻R6的一端和第一三极管Q1的集电极，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的基极分别连接第四电源管理芯片U4的欠压输出引脚LBO和第八电阻R8的一端，第四电源管理芯片U4的地引脚GND连接第七电容C7负极，同时第四电源管理芯片U4的地引脚GND连接接地，第四电源管理芯片U4的开关引脚SW分为两路，一路连接第四二极管D4的阳极，另一路连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端分别与第五电容C5正极、第四电源管理芯片U4的电压输入引脚VIN、第八电阻R8的另一端、第六电阻R6的另一端、储能电路连接，第五电容C5的负极和第五电阻R5的一端分别接地，第五电阻R5的另一端分为两路，一路连接第四电源管理芯片U4的欠压输入引脚LBI，另一路连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端分为两路，一路连接整流滤波电路中第一电容C1的正极，另一路连接第一开关控制电路S1。

所述升压电路中，电源管理芯片型号为LT1317，该芯片内嵌了开关管，开关管与第一电感L1、第四二极管D4、第五电容C5、第七电容C7构成了Boost电路。第九电阻R9和第十电阻R10是反馈回路中的电压采样元件，其比值决定了升压电路的输出电压。第七电阻R7与第六电容C6对该芯片内部误差放大器进行补偿，改善其频率响应特性。第四电阻R4和第五电阻R5是滤波后所得直流电压的采样元件，当滤波后电压大于所要求输出电压时，欠压输出引脚输出低电平，第一三极管Q1截止，电源管理芯片的升压功能关闭，当滤波后电压小于要求的输出电压时，欠压输出引脚输出高电平，第一三极管Q1导通，电源管理芯片的升压功能开启，升压电路开始工作，将储能电路中的电压升至要求的电压。另外第六电阻R6和第八电阻R8作为上拉电阻使用。

所述过压检测电路包括第三三极管Q3、第一稳压管Z1和第十二电阻R12。第一稳压管Z1的阴极分为两路，第一路连接第一开关控制电路S1，第二路连接过流检测电路，第一稳压管Z1的阳极通过第十二电阻R12连接第三三极管Q3的基极，第三三极管Q3的发射极接地，第三三极管Q3的集电极连接第一开关控制电路S1。

所述过压检测电路中，当输入电压超过第一稳压管Z1的导通电压时，第三三极管Q3导通，向第一开关控制电路S1输出低电平的过压控制信号。

所述过流检测电路包括第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15。第五三极管Q5的发射极分别连接第十四电阻R14的一端和过压检测电路中第一稳压管Z1的阴极，第十四电阻R14的另一端分为两路，一路连到第六三极管Q6的发射极，另一路连接第十五电阻R15的一端，第十五电阻R15的另一端分为三路，其中第一路连接开关控制电路S2，第二路连接第五三极管Q5的基极，第三路连接第六三极管Q6的基极，第六三极管Q6的集电极连接开关控制电路S2，第五三极管Q5的集电极通过第十三电阻R13连接第四三极管Q4的基极，第四三极管Q4的发射极接地，第四三极管Q4的集电极连接过压检测电路中第三三极管Q3的集电极。

所述过流检测电路中，随着输出电流的增大，作为电流采样电阻的第十四电阻R14和第十五电阻R15两端的电压增大，第五三极管Q5和第六三极管Q6相继导通。第五三极管Q5导通后，第四三极管Q4也随之导通，向第一开关控制电路S1输出低电平的过流控制信号；第六三极管Q6导通后，其发射极和集电极之间的电压变得很小，向第二开关控制电路S2输出高电平的过流控制信号。

所述第一开关控制电路S1包括第二MOS管Q2、第三二极管D3、第十一电阻R11和第五共阴二极管D5。第三二极管D3的阴极分别连接储能电路中第三电阻R3、升压电路中第六电阻R6，第三二极管D3的阳极连接第二MOS管Q2的漏极，第二MOS管Q2的栅极分别连接第十一电阻R11的一端和过压检测电路中第三三极管Q3的集电极，第二MOS管Q2的源极分别连接第十一电阻R11的另一端和第五共阴二极管D5的一个阳极，第五共阴二极管D5的另一个阳极连接升压电路中第七电容C7的正极，第五共阴二极管D5的阴极连接过压检测电路中第一稳压管Z1的阴极。

所述第一开关控制电路S1中，当整流滤波后所得的直流电压较高时，第五共阴二极管D5的上管导通，下管截止，整流滤波后的电能通过上管直接送至负载，当滤波电容上的电压有所下降时，第五共阴二极管D5的下管导通，上管截止，储能电路内的电能经升压电路升压后再送至负载，以保证负载在整个工作时间内得到的供电电压保持在合适范围内；当输入电压过高或输出电流过大时，第二MOS管Q2的栅极被拉至低电平，第十一电阻R11两端有电流流过，当第十一电阻R11两端的电压大于MOS管导通阈值时，第二MOS管Q2导通，整流滤波后的电能被送至储能电路以存储多余的电能。

所述第二开关控制电路S2包括第七MOS管Q7和第十六电阻R16。第七MOS管的源极与过流检测电路中第五三极管Q5的基极连接，第七MOS管的栅极分为两路，一路与过流检测电路中第六三极管Q6的集电极连接，另一路通过第十六电阻R16接地，负载并联在第七MOS管的漏极和地之间。

所述第二开关控制电路S2中，当输出电流过大时，第七MOS管Q7的栅极电位被抬升至与源极相当，第七MOS管Q7关断，将负载从主电路中断开。

在发电机工作的前一阶段（此时转速较高），电能经整流滤波电路后得到较高的直流电压，升压电路不工作，过压检测电路输出控制信号使第二MOS管Q2导通，此时一部分电能依次经过流检测电路和第七MOS管Q7送至负载，另一部分电能经第二MOS管Q2送至储能电路；而在发电装置工作的后一阶段（此时转速较低或已停止转动），整流滤波后所得的直流电压较低，升压电路工作，并在其作用下将储能电路内的电能升至所要求的电压，过压检测电路输出控制信号使第二MOS管Q2关断，电能依次经储能电路、升压电路、过流检测电路和第七MOS管Q7送至负载；此外在负载过流或短路时，过流检测电路输出控制信号使第二MOS管Q2导通、第七MOS管Q7关断，负载从主电路断开，电能全部送至储能电路。

Claims (5)

1.一种溢流储能式电源电路，其特征在于：包括储能电路、整流滤波电路、升压电路、过压检测电路、过流检测电路、第一开关控制电路S1和第二开关控制电路S2；

发电机的输出端连接至整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端分为两路，一路与过流检测电路输入端直接相连，另一路依次通过第一开关控制电路S1、储能电路、升压电路与过流检测电路的输入端相连，过流检测电路的输出端通过第二开关控制电路S2与负载相连；过压检测电路的输入端与过流检测电路的输入端相连，过压检测电路的输出端与第一开关控制电路S1的控制端相连，过流检测电路的输出端与第一开关控制电路S1、第二开关控制电路S2的控制端相连；

储能电路将发电机转速较高或过载时将多余的电能储存起来；

升压电路在发电机转速较低或停止转动时，将之前所储存的电能升至所需电压，以延长发电机的供电时间，提高效率；

过流检测电路在过载时切断负载，将电能存至储能电路中以供后续使用。

2.根据权利要求1所述的溢流储能式电源电路，其特征在于：所述储能电路包括第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一基准源U1、第二基准源U2、第三基准源U3、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3；第二电容C2的负极和第一基准源U1的阳极的公共端接地，第二电容C2的正极分为两路，一路连接第一基准源U1的参考引脚，另一路连接第三电容C3的负极，第一电阻R1的一端连接第一基准源U1的阴极，另一端连接第一基准源U1的参考引脚，第二基准源U2阳极的公共端连接第一基准源U1的参考引脚，第三电容C3的正极分为两路，一路连接第二基准源U2的参考引脚，另一路连接第四电容C4的负极，第二电阻R2的一端连接第二基准源U2的阴极，另一端连接第二基准源U2的参考引脚，第三基准源U3阳极的公共端连接第二基准源U2的参考引脚，第三电阻R3的一端连接第三基准源U3的阴极，另一端分为三路，第一路连接第四电容C4正极，第二路连接升压电路，第三路连接第一。

3.根据权利要求2所述的溢流储能式电源电路，其特征在于：上述三个电容均为法拉电容，三个基准源的型号均为TL431。

4.根据权利要求3所述的溢流储能式电源电路，其特征在于：三个法拉电容依次串联所得的储能电路的耐压值远高于单个法拉电容，且当充电电压高于TL431内部的基准电压值时，其输出级的三极管导通，法拉电容通过TL431所在支路泄流，以确保法拉电容的两端电压不会超过自身的耐压值。

5.根据权利要求1所述的溢流储能式电源电路，其特征在于：所述升压电路包括第四电源管理芯片U4、第四二极管D4、第一三极管Q1、第一电感L1、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻R10；其中，电源管理芯片型号为LT1317，该芯片内嵌了开关管，开关管与第一电感L1、第四二极管D4、第五电容C5、第七电容C7构成了Boost电路；第九电阻R9和第十电阻R10是反馈回路中的电压采样元件，其比值决定了升压电路的输出电压；第七电阻R7与第六电容C6对该芯片内部误差放大器进行补偿，改善其频率响应特性；第四电阻R4和第五电阻R5是滤波后所得直流电压的采样元件，当滤波后电压大于所要求输出电压时，欠压输出引脚输出低电平，第一三极管Q1截止，电源管理芯片的升压功能关闭，当滤波后电压小于要求的输出电压时，欠压输出引脚输出高电平，第一三极管Q1导通，电源管理芯片的升压功能开启，升压电路开始工作，将储能电路中的电压升至要求的电压；另外第六电阻R6和第八电阻R8作为上拉电阻使用。

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