申请/专利权人：南京信息工程大学

申请日：2019-04-01

公开（公告）日：2024-03-26

公开（公告）号：CN109980766B

主分类号：H02J7/34

分类号：H02J7/34

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.26#授权;2019.07.30#实质审查的生效;2019.07.05#公开

摘要：本发明提供一种简单的具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路。该电路主要包括整流电路、储能电容、迟滞自锁电路、电子开关、稳压电路组成。所述的整流电路与储能电容连接，所述的储能电容与迟滞自锁电路连接，所述的迟滞自锁电路与电子开关连接，所述的电子开关与稳压电路连接，稳压电路与应用电路连接。本发明的管理电路结构简单，仅使用了3个MOS管和4个电阻即可实现迟滞自锁电路的功能。

主权项：1.一种具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：包括整流电路、储能电容、迟滞自锁电路和电子开关，所述振动能量采集器与整流电路电连接，整流电路与储能电容电连接，储能电容与迟滞自锁电路电连接，迟滞自锁电路与电子开关电连接，电子开关与应用电路电连接；所述振动能量采集器与管理电路的V+和V-连接，通过整流电路，将振动能量采集器输出的交流电转化为直流，并为储能电容充电；所述迟滞自锁电路包括分压电路、上拉电阻、第一PMOS管和NMOS管，所述分压电路由三个高阻值电阻R1、R2和R3串联组成；所述分压电路中R1一端与储能电容正端Vc连接，R1的另一端与R2的一端连接，R2的另一端与R3的一端连接，R3另一端与储能电容另一端连接，并接地；NMOS管的栅极连接于R2与R3之间，源极接地，漏极与第一PMOS管的栅极连接；第一PMOS管的源极与储能电容正端Vc连接连接，漏极连接于R1与R2之间；所述上拉电阻一端与NMOS管漏极连接，另一端与储能电容正端Vc连接。

全文数据：一种具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路技术领域本发明涉及一种振动能量采集器电源管理电路，特别涉及具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路。背景技术近年来，无线传感网络和微机电系统的发展，无线传感器和便携式设备的需求迅速增长，绝大多数的无线传感器节点和便携式设备依然采用传统的蓄电池进行能量供给，而电池的续航能力严重限制了无线传感器网络节点的工作寿命。振动能量采集技术能够将应用环境中的振动源源不断的转化为电能，有效延长节点寿命。振动能量采集器体积较小，输出功率低，为μW～mW的范围，传统的电源管理电路会由于漏电流、开启冲击电流和电压崩溃等问题，造成无法正常开启。因此必须在管理电路开启之前，断开采集器与后续电路的连接，保证储能电容上有足够的电能，满足后续电路一个完整工作周期的用电要求。这就需要一个电子开关，在电容储能不足时断开，储能足够时闭合导通为后续电路供电。如何确定开关的通断，就要用到一个具有电压检测功能的迟滞自锁电路，保证开关在较高电压储能足够开通，较低电压储能不足断开。这样可以避免电路开通瞬间的电流冲击和电压急剧崩溃造成电路转换到截止状态。为此，很多研究者采用集成运放或元件构建迟滞自锁电路，结构往往较为复杂，反而管理电路的能耗会增加。如申请号为201610150268.2的专利，一种能量采集器的无源无线传感器节点电源电路，就是用集成运放和MOS管构成迟滞自锁电路，结构复杂。发明内容本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种结构简单的具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路。为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：包括整流电路、储能电容、迟滞自锁电路和电子开关，所述振动能量采集器与整流电路电连接，整流电路与储能电容电连接，储能电容与迟滞自锁电路电连接，迟滞自锁电路与电子开关电连接，电子开关与应用电路电连接；所述迟滞自锁电路包括分压电路、上拉电阻、第一PMOS管和NMOS管，所述分压电路由三个电阻R1、R2和R3串联组成。对上述技术方案的进一步设计为：所述分压电路中R1一端与储能电容正端Vc连接，R1的另一端与R2的一端连接，R2的另一端与R3的一端连接，R3另一端与储能电容另一端连接，并接地；NMOS管的栅极连接于R2与R3之间，源极接地，漏极与第一PMOS管的栅极连接；第一PMOS管的源极与储能电容正端Vc连接连接，漏极连接于R1与R2之间；所述上拉电阻一端与NMOS管漏极连接，另一端与储能电容正端Vc连接。所述电子开关为一个开关PMOS管，开关PMOS管的栅极与NMOS管的漏极连接，源极与储能电容正端Vc连接，为开关输入，漏极为开关的输出。所述开关PMOS管的导通电阻RDSon小于50Ω。还包括稳压电路，所述稳压电路输入端与电子开关的输出连接，输出端与应用电路连接。所述稳压电路输入和输出端分别连接有输入滤波电容和输出滤波电容，输入滤波电容一端与稳压电路输入连接，另一端接地，输出滤波电容一端与稳压电路输出连接，另一端接地。所述的稳压电路为具有升压或降压的DC-DC转换电路。所述整流电路由四个整流二极管或肖特基二极管组成的全波整流桥。所述整流桥一输出端与储能电容正端Vc连接，另一输出端接地。所述的储能电容为钽电容或陶瓷电容。本发明的有益效果是：1、本发明管理电路结构简单，尤其是迟滞自锁电路和电子开关仅用了3个MOS管和4个电阻即可实现由复杂的集成运放和MOS管所实现的功能。2、本发明的管理电路中4个电阻均采用高阻值电阻，使得管理电路输入阻抗高，相应的静态功耗低，仅为nW的水平。附图说明图1为本发明管理电路的电路图。图2为迟滞自锁电路的输入电压和电子开关电路输出电压波形图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图1所示，本实施例的具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，包括整流电路、储能电容、迟滞自锁电路、电子开关和稳压电路。整流电路为由四个二极管D1、D2、D3和D4组成的整流桥，整流桥两输入端分别与振动能量采集器连接，一输出端与储能电容的正端Vc连接，另一输出端接地。所述的储能电容与迟滞自锁电路连接，所述的迟滞自锁电路与电子开关连接，所述的电子开关与稳压电路连接，稳压电路与应用电路连接。迟滞自锁电路包括分压电路、上拉电阻R4、一个PMOS管Q1和一个NMOS管Q2振动能量采集器与管理电路的V+和V-连接，通过整流电路，将振动能量采集器输出的交流电转化为直流，之后为储能电容C1充电。分压电路由三个高阻值电阻R1、R2、R3串联组成，其中R1一端接储能电容的正端Vc，R1的另一端与R2的一端连接形成分压点V1，R2的另一端与R3的一端连接形成分压点V2，R3另一端接电容的负端，且接地。NMOS管Q2的栅极与分压点V2连接，源极接地，漏极与PMOS管Q1的栅极连接，作为迟滞自锁电路的输出V3，同时连接上拉电阻R4的一端，上拉电阻R4另一端接Vc。PMOS管Q1的栅极与NMOS管Q2漏极连接，源极接Vc，漏极接分压点V1。电子开关为一个开关PMOS管Q3，其栅极接迟滞自锁电路的输出V3，源极为开关输入接Vc，漏极为开关的输出接稳压电路U1。所述稳压电路输入端与电子开关的输出连接，输出端与应用电路连接。稳压电路U1输入和输出端分别连接有输入滤波电容C2和输出滤波电容C3，输入滤波电容C2一端与稳压电路输入连接，另一端接地，输出滤波电容C3一端与稳压电路输出连接，另一端接地。最后稳压电路U1为后续应用电路供电。本实施例中将正向压降只有0.3V的肖特基二极管BAT721S组成整流电路，组成整流电路的还可为整流二极管，储能电容为贴片钽电容或陶瓷电容，R1、R2、R3、R4分别为47MΩ、20MΩ、20MΩ和20MΩ，PMOS管Q1和NMOS管Q2为ALD1105集成芯片的MOS管对，电子开关PMOS管Q3为低导通电阻的SI2329DS，导通电阻RDSon小于50Ω，稳压电路为低输入电压的升压转换器XC6219B332MR，稳压输出3.3V。稳压电路为具有升压或降压的DC-DC转换电路，输出电压为1.8V、3.3V或5.0V。可根据输入阈值电压和输出电压确定DC-DC转换器类型。本实施例管理电路的工作原理为：整流电路将振动能量采集器的交流电转化为直流，然后给储能电容充电，迟滞自锁电路检测储能电容上的电压Vc，并控制电子开关的导通和截止。当电子开关导通时储能电容与稳压电路和后续应用电路形成通路，并为其供电。迟滞自锁电路控制电子开关的导通与截止过程，可以从储能电容充电和放电的两个过程分析，如图2所示。首先对于充电过程，从零状态冷启动，开始为储能电容充电时，电压Vc从零开始逐渐升高。Vc通过电阻R1、R2、R3分压，分压点V2为：开始时，V2小于NMOS管Q2的开启电源阈值UGS2th，Q2截止。此时，迟滞自锁电路的输出V3约为高电平Vc，开关PMOS管Q3截止。截止时迟滞自锁电路的输入内阻约为R1+R2+R3。当V2增加到UGS2th时，Q2导通，其导通电阻RDS2on远小于上拉电阻R4，使得迟滞自锁电路输出V3拉低，PMOS管Q1的栅极-源极间电压VGS约等于-Vc，小于其开启电压UGS1th，Q1导通。Q1导通后，其源极和漏极导通电阻RDS1on非常小，可以近似认为R1两端是短接的。这样使得分压点V2电压突然增加到Vc*R3R2+R3，Q2进一步向导通区域发展，这种正反馈再反馈给Q1，结果迟滞自锁电路锁定在导通状态。此时，迟滞自锁电路的输出端V3的低电平使得电子开关Q3导通，振动能量采集器和储能电容开始通过电子开关和稳压电路为后续应用电路供电。迟滞自锁电路导通的时输入内阻约为R4R2+R3。导通时刻储能电容上对应的电压为管理电路的开启电压阈值VHth：其次为储能电容放电过程，管理电路从开启状态开始，储能电容上的电压Vc从一个高于VHth的值逐渐减小，见图2。因为此时分压点V2为Vc*R3R2+R3，当Vc降到开启电压阈值VHth时，V2仍然大于UGS2th，NMOS管Q2和电子开关仍然处于导通状态，管理电路的是开启的。储能电容电压继续下降，当分压点V2为低于UGS2th时，MOS管Q2、Q1和Q3都变为截止状态，自锁解除，管理电路截止。截止时储能电容上对应的电压为管理电路的截止电压阈值VLth：截止阈值电压小于开启阈值电压，相差为UGS2thR1R3，可见该电路具有迟滞自锁功能。由于R1～R4都是几十MΩ的电阻，迟滞自锁电路的输入阻抗大，自身功耗非常小。根据振动能量采集器输出功率、储能电容大小以及管理电路和后续应用电路的功耗，管理电路导通后的情况可以分为两种。第一种情况是采集器输出功率较小，导通后不能维持管理电路和后续应用电路持续工作，其工作电压如图2所示，储能电容会周期性地充放电，其中充电过程管理电路截止，放电过程管理电路导通。第二种情况是采集器输出功率较大，能够满足管理电路和后续应用电路持续工作的功耗需求，其工作电压如图2所示，管理电路导通之后一直保持在导通状态，储能电容没有放电过程。本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

权利要求：1.一种具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：包括整流电路、储能电容、迟滞自锁电路和电子开关，所述振动能量采集器与整流电路电连接，整流电路与储能电容电连接，储能电容与迟滞自锁电路电连接，迟滞自锁电路与电子开关电连接，电子开关与应用电路电连接；所述迟滞自锁电路包括分压电路、上拉电阻、第一PMOS管和NMOS管，所述分压电路由三个电阻R1、R2和R3串联组成。2.根据权利要求1所述具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：所述分压电路中R1一端与储能电容正端Vc连接，R1的另一端与R2的一端连接，R2的另一端与R3的一端连接，R3另一端与储能电容另一端连接，并接地；NMOS管的栅极连接于R2与R3之间，源极接地，漏极与第一PMOS管的栅极连接；第一PMOS管的源极与储能电容正端Vc连接连接，漏极连接于R1与R2之间；所述上拉电阻一端与NMOS管漏极连接，另一端与储能电容正端Vc连接。3.根据权利要求2所述具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：所述电子开关为一个开关PMOS管，开关PMOS管的栅极与NMOS管的漏极连接，源极与储能电容正端Vc连接，为开关输入，漏极为开关的输出。4.根据权利要求3所述具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：所述开关PMOS管的导通电阻RDSon小于50Ω。5.根据权利要求4所述具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：还包括稳压电路，所述稳压电路输入端与电子开关的输出连接，输出端与应用电路连接。6.根据权利要求5所述具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：所述稳压电路输入和输出端分别连接有输入滤波电容和输出滤波电容，输入滤波电容一端与稳压电路输入连接，另一端接地，输出滤波电容一端与稳压电路输出连接，另一端接地。7.根据权利要求6所述具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：所述的稳压电路为具有升压或降压的DC-DC转换电路。8.根据权利要求1所述具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：所述整流电路由四个整流二极管或肖特基二极管组成的全波整流桥。9.根据权利要求8所述具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：所述整流桥一输出端与储能电容正端Vc连接，另一输出端接地。10.根据权利要求1所述具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，其特征在于：所述的储能电容为钽电容或陶瓷电容。

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