CN114285132A - 一种低功耗能源采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于微能源收集电路技术领域，具体为一种低功耗能源采集电路，解决了背景技术中的技术问题，其包括第一俘能单元、第二俘能单元、第一全桥整流电路、第一电子开关器件、第三电子开关器件、第二电子开关器件、第四电子开关器件、第一储能电容、第一稳压电路、用电设备、第二全桥整流电路、第五电子开关器件、第七电子开关器件、第六电子开关器件、第八电子开关器件、第二储能电容、第二稳压电路、第三稳压电路以及储能电池；还包括监测与控制电路。监测与控制电路控制电子开关器件给负载供电的时间占空比降到最低，其余时间为储能电池充电，有效的降低电路损耗，高效利用电能，既保证了负载正常工作的同时，又可为备用电池进行充电储能。

Description

一种低功耗能源采集电路

技术领域

本发明属于微能源收集电路技术领域，具体为一种低功耗能源采集电路。

背景技术

在当今时代，智能化随身可穿戴产品大量涌现，随着智能化电子产品数量的增加，智能化产品供电问题成为关注的问题。目前，在户外活动、野外探险过程中，电子产品的供能大多数由化学电池实现，化学电池也呈现出不可循环利用和污染环境的问题。极少部分采用太阳能供电方式，但太阳能供电受到外部环境的严重制约。对此，提出了支撑人体运动过程中拥有较高的能量密度、分布广泛、表现形式多样、不受时空限制和容易转换的机械能。但是，通过人体运动传动齿轮机构带动交流发电机产生的电能采集效率低下，电能采集电路功耗大，导致电能存储量极少。因此如何能够高效地收集这些能源以及如何最大限度的降低收集这些能源的电路功耗问题成为了收集这些能源必须解决的关键问题。

发明内容

本发明旨在解决如何能够高效地收集人体运行产生的能源以及如何最大限度的降低收集这些能源的电路功耗的技术问题，提供了一种低功耗能源采集电路。通过对负载的监测并控制发电单元对负载供电和蓄电池充电的通断，从而最大限度的降低电路的功耗，极大地提高了对发电单元电能的高效率利用。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种低功耗能源采集电路，包括第一俘能单元和第二俘能单元，第一俘能单元的输出端连接有第一全桥整流电路，第一全桥整流电路的输出端分两路分别连接有第一电子开关器件和第三电子开关器件，第一电子开关器件的输出端分两路连接有第二电子开关器件和第四电子开关器件，第二电子开关器件的输出端依次通过第一储能电容、第一稳压电路连接至用电设备的电极一端；第二俘能单元的输出端连接有第二全桥整流电路，第二全桥整流电路的输出端分两路分别连接有第五电子开关器件和第七电子开关器件，第七电子开关器件的输出端分两路连接有第六电子开关器件和第八电子开关器件，第八电子开关器件的输出端依次通过第二储能电容、第二稳压电路连接至用电设备的电极另一端；第三电子开关器件、第五电子开关器件、第四电子开关器件和第六电子开关器件的输出端并联后连接有第三稳压电路，第三稳压电路的输出端连接有储能电池；还包括用于采集用电设备实时功率以及通过用电设备实时功率控制各电子开关器件的通断时间的监测与控制电路。

本发明所述采集电路中，第一俘能单元和第二俘能单元负责将环境中的振动、噪声等机械能转化成电能，从环境中浮取能量，为后续电路供电，由于第一俘能单元和第二俘能单元在结构上设计结合人体运动的循环往复性的特点，所以俘能单元收集的电能为单向脉冲式供电。全桥整流电路负责将俘能单元输出的三相交流电转换为直流电；各电子开关器件负责控制电能对负载或储能电池供电电路的通断；各稳压电路负责将经过整流电路转换为的直流电转变为负载所需要的合适的电压。监测与控制电路控制各电子开关器件进行控制，保证负载在最低电流的状态下正常工作。当人体运动时，能将各个身体部位所产生的机械能转换为电能，产生的电能通过本发明所述的采集电路最终实现给智能穿戴供电或者为蓄能电池充电的功能。第一电子开关器件和第三电子开关器件、第二电子开关器件和第四电子开关器件、第五电子开关器件和第七电子开关器件以及第六电子开关器件和第八电子开关器件两者之间的断开与导通均呈相反状态，比如第一电子开关器件导通时，第三电子开关器件断开，当第二电子开关器件断开时，第四电子开关器件导通等。

优选的，监测与控制电路包括相连接的单片机和AD采集模块，AD采集模块负责采集用电设备的电压和电流数据，AD采集模块通过SPI通信实时回传至单片机，单片机经过数据处理与计算最终算出负载的实时功率，单片机根据用电设备实时功率输出PWM脉冲方波对各电子开关器件进行控制。单片机选择功耗极低的STM32F103最小***单片机，监测与控制电路中的AD采集模块与单片机结合，对负载的实时功率进行初步的采集与计算。当监测到负载功率较小时，单片机经过内部的逻辑及算法判断，控制第一电子开关器件和第三电子开关器件、第五电子开关器件和第七电子开关器件的相应的引脚输出高低电平。比如控制实现第一电子开关器件导通，第三电子开关器件断开；第五电子开关器件导通，第七电子开关器件断开。最终实现第一俘能单元对用电设备的继续供电，而第二俘能单元对用电设备供电的通路断开，而对储能电池供电的支路导通，对储能电池进行充电。

优选的，各电子开关器件的结构相同，均包括N-MOS场效应管，N-MOS场效应管的***电路中，栅极与脉冲控制端的正极相连用于接收PWM脉冲方波，同时栅极还采用下拉电阻下拉，源极与整流后的负极相连，漏极作为最终电能输出的负极。采用导通电阻小、容易制造的N-MOS场效应管作为电子开关，通过下拉电阻提高电路的稳定性。比如当脉冲输入高电平时，此时栅源电压VGS大于开启电压，N-MOS场效应管源极和漏极导通，相当于此时开关闭合，输出电压负极导通，即，电能此时流向用电设备的支路或者电能流向储能电池的支路导通。当脉冲输入为低电平时，此时栅源电压VGS小于开启电压，N-MOS场效应管源极和漏极断开，相当于此时开关断开，给用电设备供电的输出电压负极断开或者给储能电池供电的负极支路断开。

本发明的有益效果是：本发明以提高电能采集电路的效率，降低电路的损耗为目标，通过低功耗主控***，功率实时计算算法，最终控制电子开关器件对于负载供电与电池充电的通断时间，在负载正常工作的前提下，为负载提供最少的电能，即监测与控制电路控制电子开关器件给负载供电的时间占空比降到最低，其余时间用于为电池充电；因此，本发明可以有效的降低电路的损耗，极高效率地利用了电能，既保证了负载正常工作的同时，又可为储能电池进行充电储能；对高效收集微能源，以及可再生能源的研究收集有着重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述一种低功耗能源采集电路中电能与控制信号的连接以及流向的结构示意图（其中实线表示电能，虚线表示信号）。

图2为本发明各电子开关器件的电路原理图。

图3为不同电子开关器件组合后给储能电池以及负载供电的整体原理图。

图中：1、第一俘能单元；2、第二俘能单元；3、第一全桥整流电路；4、第一电子开关器件；5、第三电子开关器件；6、第二电子开关器件；7、第四电子开关器件；8、第一储能电容；9、第一稳压电路；10、用电设备；11、第二全桥整流电路；12、第五电子开关器件；13、第七电子开关器件；14、第六电子开关器件；15、第八电子开关器件；16、第二储能电容；17、第二稳压电路；18、第三稳压电路；19、储能电池；20、监测与控制电路；21、下拉电阻。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种低功耗能源采集电路，包括第一俘能单元1和第二俘能单元2，第一俘能单元1的输出端连接有第一全桥整流电路3，全桥整流电路的输出端分两路分别连接有第一电子开关器件4和第三电子开关器件5，第一电子开关器件4的输出端分两路连接有第二电子开关器件6和第四电子开关器件7，第二电子开关器件6的输出端依次通过第一储能电容8、第一稳压电路9连接至用电设备10的电极一端；第二俘能单元2的输出端连接有第二全桥整流电路11，全桥整流电路的输出端分两路分别连接有第五电子开关器件12和第七电子开关器件13，第七电子开关器件13的输出端分两路连接有第六电子开关器件14和第八电子开关器件15，第八电子开关器件15的输出端依次通过第二储能电容16、第二稳压电路17连接至用电设备10的电极另一端；第三电子开关器件5、第五电子开关器件12、第四电子开关器件7和第六电子开关器件14的输出端并联后连接有第三稳压电路18，第三稳压电路18的输出端连接有储能电池19；还包括用于采集用电设备10实时功率以及通过用电设备10实时功率控制各电子开关器件的通断时间的监测与控制电路20；监测与控制电路20包括相连接的单片机和AD采集模块，AD采集模块负责采集用电设备10的电压和电流数据，AD采集模块通过SPI通信实时回传至单片机，单片机经过数据处理与计算最终算出负载的实时功率，单片机根据用电设备10实时功率输出PWM脉冲方波对各电子开关器件进行控制；各电子开关器件的结构相同，均包括N-MOS场效应管，N-MOS场效应管的***电路中，栅极与脉冲控制端的正极相连用于接收PWM脉冲方波，同时栅极还采用下拉电阻21下拉，源极与整流后的负极相连，漏极作为最终电能输出的负极。

本发明所述采集电路中，第一俘能单元1和第二俘能单元2负责将环境中的振动、噪声等机械能转化成电能，从环境中浮取能量，为后续电路供电，由于第一俘能单元1和第二俘能单元2在结构上设计结合人体运动的循环往复性的特点，所以俘能单元收集的电能为单向脉冲式供电。全桥整流电路负责将俘能单元输出的三相交流电转换为直流电；各电子开关器件负责控制电能对负载或储能电池19供电电路的通断；各稳压电路负责将经过整流电路转换为的直流电转变为负载所需要的合适的电压。监测与控制电路20控制各电子开关器件进行控制，保证负载在最低电流的状态下正常工作。当人体运动时，能将各个身体部位所产生的机械能转换为电能，产生的电能通过本发明所述的采集电路最终实现给智能穿戴供电或者为蓄能电池充电的功能。第一电子开关器件4和第三电子开关器件5、第二电子开关器件6和第四电子开关器件7、第五电子开关器件12和第七电子开关器件13以及第六电子开关器件14和第八电子开关器件15两者之间的断开与导通均呈相反状态，比如第一电子开关器件4导通时，第三电子开关器件5断开，当第二电子开关器件6断开时，第四电子开关器件7导通等。单片机选择功耗极低的STM32F103最小***单片机，监测与控制电路20中的AD采集模块与单片机结合，对负载的实时功率进行初步的采集与计算。采用导通电阻小、容易制造的N-MOS场效应管作为电子开关，通过下拉电阻21提高电路的稳定性。比如当脉冲输入高电平时，此时栅源电压VGS大于开启电压，N-MOS场效应管源极和漏极导通，相当于此时开关闭合，输出电压负极导通，即，电能此时流向用电设备10的支路或者电能流向储能电池19的支路导通。当脉冲输入为低电平时，此时栅源电压VGS小于开启电压，N-MOS场效应管源极和漏极断开，相当于此时开关断开，给用电设备10供电的输出电压负极断开或者给储能电池19供电的负极支路断开。

当监测到负载功率较小时，单片机经过内部的逻辑及算法判断，控制第一电子开关器件4和第三电子开关器件5、第五电子开关器件12和第七电子开关器件13的相应的引脚输出高低电平。比如控制实现第一电子开关器件4导通，第三电子开关器件5断开；第五电子开关器件12导通，第七电子开关器件13断开。最终实现第一俘能单元1对用电设备10的继续供电，而第二俘能单元2对用电设备10供电的通路断开，而对储能电池19供电的支路导通，对储能电池19进行充电。第二俘能单元2所收集的电能对储能电池19进行充电，而第一俘能单元1的电能在通过第一电子开关器件4后经过第二电子开关器件6和第四电子开关器件7。此时，监测与控制电路20中的AD采集电路与低功耗STM32F103单片机，再次对用电设备10的实时功率进行采集与计算。如果此时负载功率仍然较小，单片机可结合负载功率以及储能电容的放电时间，通过智能算法控制第二电子开关器件6和第四电子开关器件7的引脚输出特定匹配的两路脉冲高低电平互补的方波。即当控制第二电子开关器件6的方波信号处于高电平时，则控制第四电子开器件的方波信号则处于低电平。两路信号状态始终相反。此时，第二电子开关器件6导通，第四电子开关器件7断开。

在方波占空比输出控制计算算法中，将涉及到以下参数：

（1）用电设备10的实时功率；

（2）对于当前用电设备10的储能电容的放电时间；

（3）对于前一时刻的占空比脉冲控制，充电电容此时的充电电压，从而可计算此时电容充电时间；

监测与控制电路20最终结合电容的充放电时间以及用电设备10的实时功率，通过综合计算最终输出特定的可随用电设备10实时变化占空比的脉冲方波，保证了用电设备10能正常工作的同时，还能给储能电池19进行充电。

电能在通过第二电子开关器件6之后，经过第一储能电容8。在第二电子开关器件6和第四电子开关器件7的控制上采用脉冲式方波控制，因此，此时的电能是间歇式电能。所以，第一储能电容8在此的作用是在方波处于高电平时，储能电容进行充电以及给后续用电设备10进行供电；当脉冲式方波处于低电平时，储能电容进行放电给后续负载供电，保证后续负载能够持续性工作。

上述方案中，通过第一、三、五、七电子开关器件对电能流向支路进行了初步的选择，之后在第二、四、六、八电子开关器件处对电能进行了第二次的微分流选择。通过脉冲式方波控制使电能进行了有效的分流，极大的降低了高电压在稳压电路上的不必要损耗，降低了电路的损耗，提高了能源收集电路的收集效率。

图3描述了电子开关器件部分在电路整体中的设计原理图。俘能单元在经过整流电路之后输出了电压较高的直流电，在直流电的负极上首先进行了第一次的电能分流，在第一步电能分流支路后一条支路直接给储能电池19充电供电，另一条支路上又进行了第二次的电能分流。第二次的电能分流是为了对电能进行更精确更高效的利用。保证了负载在正常工作的前提下利用最小电能供电。第二次分流之后，一条支路给储能电池19供电，另一条支路流过储能电容后经过稳压电路，稳定到合适的电压后给负载供电。储能电容的作用是，通过电容的不断充放电，保证了在第二次电能分流后给负载提供的间歇式电能仍然能够使负载持续工作。电能的分流使到达稳压电路的平均电压减小，避免了大量电能在稳压电路上的损耗，降低了电路的功耗，同时提高了能源收集的效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种低功耗能源采集电路，其特征在于，包括第一俘能单元(1)和第二俘能单元(2)，第一俘能单元(1)的输出端连接有第一全桥整流电路(3)，第一全桥整流电路(3)的输出端分两路分别连接有第一电子开关器件(4)和第三电子开关器件(5)，第一电子开关器件(4)的输出端分两路连接有第二电子开关器件(6)和第四电子开关器件(7)，第二电子开关器件(6)的输出端依次通过第一储能电容(8)、第一稳压电路(9)连接至用电设备(10)的电极一端；第二俘能单元(2)的输出端连接有第二全桥整流电路(11)，第二全桥整流电路(11)的输出端分两路分别连接有第五电子开关器件(12)和第七电子开关器件(13)，第七电子开关器件(13)的输出端分两路连接有第六电子开关器件(14)和第八电子开关器件(15)，第八电子开关器件(15)的输出端依次通过第二储能电容(16)、第二稳压电路(17)连接至用电设备(10)的电极另一端；第三电子开关器件(5)、第五电子开关器件(12)、第四电子开关器件(7)和第六电子开关器件(14)的输出端并联后连接有第三稳压电路(18)，第三稳压电路(18)的输出端连接有储能电池(19)；还包括用于采集用电设备(10)实时功率以及通过用电设备(10)实时功率控制各电子开关器件的通断时间的监测与控制电路(20)。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗能源采集电路，其特征在于，监测与控制电路(20)包括相连接的单片机和AD采集模块，AD采集模块负责采集用电设备(10)的电压和电流数据，AD采集模块通过SPI通信实时回传至单片机，单片机经过数据处理与计算最终算出负载的实时功率，单片机根据用电设备(10)实时功率输出PWM脉冲方波对各电子开关器件进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种低功耗能源采集电路，其特征在于，各电子开关器件的结构相同，均包括N-MOS场效应管，N-MOS场效应管的***电路中，栅极与脉冲控制端的正极相连用于接收PWM脉冲方波，同时栅极还采用下拉电阻(21)下拉，源极与整流后的负极相连，漏极作为最终电能输出的负极。

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