一种基于同步开关技术的低频微纳能源电源管理电路

本发明涉及微纳能源能量管理领域，具体为一种基于同步开关技术的低频微纳能源电源管理电路。

背景技术：

1、科学技术的进步使得无线传感网络逐渐普及到日常生活中，便携式电子设备是无线传感网络的重要应用之一。而续航问题是便携式电子设备发展面临的巨大难题。微纳能源采集，是指利用微型器件高效收集和存储环境中的能量，为系统提供持久、不需维护、自驱动的能源。近年来，已有研究人员开始尝试利用环境中的微纳能源，实现能量收集并将其作为电源输出，以用于解决便携式电子设备续航问题。

2、微纳能源采集是指利用环境中的微纳能源，，基于压电效应、电磁感应等原理，将其转换为电能实现能量收集，之后将采集的能量存储在储能器件中。现阶段常用的微纳能源器件有电磁发电机，压电发电机和摩擦发电机等。针对电磁发电，压电发电和摩擦发电输出的交流型信号，大多基于同步开关电路的结构提高能量采集的效率。常用的电源管理电路一般先使用整流桥将微纳能源器件输出的交流信号转换为直流信号，再经开关电路等模块实现对输出能量的的转移，之后使用阈值分压电路和稳压器件提供稳定的直流输出。然而在实际应用中，对于同步开关电路的实现，一部分电源管理电路会针对发电机的特殊结构，设计其专用的机械开关，势必会降低电路的通用性；还有一部分电路则通过电子开关实现同步翻转，但这种方式往往需要外部稳压源进行供能。因此，设计一种可以实现自供能的通用低频交流信号收集、管理并实现稳压输出的电源管理电路，对于能量收集技术的发展和应用具有积极意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种基于同步开关技术的低频微纳能源电源管理电路，先利用mos管整流减小输入交流信号的压降，再使用同步开关提高其翻转效率，从而提升能量采集效率，然后将收集到的能量通过阈值分压电路间歇供给到线性稳压器，从而输出稳定的电压供给后续传感器等耗能器件。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于同步开关技术的低频微纳能源电源管理电路，包括滤波电路、电子开关电路、lc整流储能电路、阈值分压电路和稳压输出电路；

4、所述滤波电路的输入端连接微纳能源采集器输出的交流信号，输出端依次经电子开关电路、lc整流储能电路、阈值分压电路后与稳压输出电路相连；

5、所述电子开关电路采用同步电感开关电路结构，包括cmos电子开关i、cmos电子开关ii，cmos电子开关i与滤波电路之间设有包络极值检测电路i，cmos电子开关ii与滤波电路之间设有包络极值检测电路ii；其中包络极值检测电路i用于检测滤波后交流信号正半周期的电路峰值，并于信号峰值生成第一控制信号，以控制cmos电子开关i开启；包络极值检测电路ii用于检测滤波后交流信号负半周期的电路峰值，并于信号峰值处生成第二控制信号，以控制cmos电子开关ii开启；

6、所述lc整流储能电路包括lc储能电容、用于将交流信号转变为直流信号整流电路，lc储能电容与整流电路相连；

7、所述阈值分压电路用于实现阈值导通，当lc整流储能电路中储能电容的电压达到的上阈值后，阈值分压电路导通，稳压输出电路开始输出稳定电压供给后续电路；当储能电容电压下降到下阈值之后，阈值分压电路关闭，稳压输出截止，从而实现间歇性供能。

8、进一步的，所述滤波电路为低通滤波，包括电容cf1、电容cf2和电感lf1；所述电容cf1的一端连接微纳能源采集器的一端和电感lf1的一端，另一端连接微纳能源采集器的另一端和电容cf2的另一端；电容cf2的一端连接电感lf1的另一端和cmos电子开关ii的输入端，另一端连接cmos电子开关i的输入端。

9、进一步的，所述电子开关电路具体结构如下：

10、所述包络极值检测电路i包括：电阻rs1、电阻rs2、电容cs1、mos管qs1和二极管ds1；电阻rs1和电容cs1构成微分采样电路，电阻rs1的一端与电容cs1的一端相连后连接mos管qs1的栅极，另一端连接包络极值检测电路i的第二输入端；电容cs1的另一端连接包络极值检测电路i的第一输入端；电阻rs2的一端连接电阻rs1的另一端和包络极值检测电路i的第二输入端，另一端连接mos管qs1的漏极和二极管ds1的正极；mos管qs1的源极连接二极管ds1的负极；二极管ds1的负极连接包络极值检测电路i的第一输入端；

11、所述包络极值检测电路ii包括：电阻rs1'、电阻rs2'、电容cs1'、mos管qs1'和二极管ds1'；电阻rs1'和电容cs1'构成微分采样电路，电阻rs1'的一端与电容cs1'的一端相连后连接mos管qs1'的栅极，另一端连接包络极值检测电路ii的第一输入端；电容cs1'的另一端连接包络极值检测电路ii的第二输入端；电阻rs2'的一端连接电阻rs1'的另一端和包络极值检测电路ii的第一输入端，另一端连接mos管qs1'的漏极和二极管ds1'的正极；mos管qs1'的源极连接二极管ds1'的负极；二极管ds1'的负极连接包络极值检测电路ii的第二输入端；

12、所述cmos电子开关i包括cmos管qn1和二极管dn1，cmos管qn1的栅极连接mos管qs1的漏极，即第一控制信号vc1，源极连接电阻rs2的一端和二极管dn1的正极，漏极连接二极管dn1的负极，即信号v2；

13、所述cmos电子开关ii包括cmos管qn2和二极管dn2，cmos管qn2的栅极连接mos管qs1'的漏极，即第二控制信号vc2，源极连接电阻rs2'的一端和二极管dn2的正极，漏极连接二极管dn2的负极，即信号v1。

14、进一步的，所述lc整流储能电路包括电感l、电阻r、电容c以及整流电路；电感l的一端与电阻r的一端相连，另一端连接信号v1端和整流电路交流输入第一端，电阻r的另一端连接信号v2端和整流电路交流输入第二端，整流电路的直流输出端正极连接电容c的一端，直流输出端负极连接电容c的另一端；当cmos电子开关i导通时，电路从二极管dn2经电感l、电阻r与cmos管qn1连接；当cmos电子开关ii导通时，电路从二极dn1经电感l、电阻r与cmos管qn2连接，能量从微纳能源采集器转移到电感l上，之后通过整流桥d将电感l上储存的能量转移到储能电容c上。

15、更进一步的，所述整流电路可以替换为mos管整流储能电路来减小压降，所述mos管整流储能电路包括：nmos管qm1与qm2、pmos管qp1与qp2、电感l、电阻r、电容c；

16、电感l的一端与电阻r的一端相连，另一端连接pmos管qp1与qp2的漏极和电容c的一端，电阻r的另一端连接nmos管qm1与qm2的漏极和电容c的另一端；信号v3连接nmos管qm2的源极、pmos管qp1的源极与pmos管qp2的栅极；信号v4连接nmos管qm1的源极、pmos管qp2的源极与pmos管qp1的栅极；nmos管qm1的栅极连接第一控制信号vc1；nmos管qm2连接第二控制信号vc2。

17、更进一步的，所述mos管整流储能电路中的mos管的源极与漏极需要根据mos管实物确定连接方式，部分mos管元件会在源极与漏极并联一个二极管，为了防止二极管误导通需要改变mos管的源极与漏极接法。

18、进一步的，所述阈值分压电路包括电阻rr1、电阻rr2、电阻rr3，三极管qr1、齐纳稳压二极管dr1、mos管qr2；电阻rr1的一端连接三极管qr1的发射极，另一端连接lc整流储能电路中的电容c的正极；电阻rr2的一端连接三极管qr1的集电极，另一端连接lc整流储能电路中的电容c的负极和齐纳稳压二极管dr1的正极；电阻rr3的一端连接阈值分压电路输出端和mos管qr2的漏极；另一端连接齐纳稳压二极管dr1的负极和三极管qr1的基极，用于限制导通后的基极漏电流；mos管qr2的栅极连接三极管qr1集电极；

19、初始状态，后续电路处于断开状态，随着lc整流储能电路中的电容c电压不断升高，三极管qr1基极电压稳定于齐纳二极管dr1的稳压值；当lc整流储能电路中的电容c电压继续升高，三极管qr1的发射极-基极电压差大于vbe，三极管qr1导通，电阻rr1、rr2开始分压，当rr2上的电压大于mos管qr2阈值电压后，mos管qr2导通，后续电路导通，此时的输入源信号电压为上阈值电压。

20、后续电路导通后，随着lc整流储能电路中的电容c电压不断下降，三极管qr1保持导通，当rr2上的电压小于mos管qr2阈值电压后，后续电路关闭，此时的lc整流储能电路中的电容c电压为下阈值电压。

21、进一步的，所述稳压输出电路为线性稳压电路，由tps70933芯片以及外围电路组成，外围电阻包括电容cr1和电容cr2；从阈值分压电路产生的信号经过电容cr1进入线性稳压芯片稳定电压后，经过滤波电容cr2输出。

22、进一步的，所述lc整流储能电路中的电容c为大容量储能电容、锂电池或超级电容。

23、采用上述技术方案后，本发明具有了以下优点：

24、1、本发明通过采用大容量储能电容、锂电池、超级电容替代原有的lc整流储能电路中的电容，实现了更大能量储存。并在此基础上，通过阈值分压电路与稳压输出电路的配合，间歇性输出稳定电压供给后续用电器，使其兼具输出功能。从而具有更广阔的应用场景，提升了通用性和实用性。

25、2、微纳能源采集器受输入信号的机械能影响较大，其输出波形通常伴随着毛刺噪声等局部极值，使用rc微分采样通常无法辨别这类信号，容易将极值点识别为峰值点，造成电路误导通这一问题，本发明采用lc三阶低通滤波电路滤除毛刺与噪声，有效防止包络极值检测电路产生误判。

26、3、本发明电路中各部件均由基础电子元器件搭建完成，成本低、电路体积小、整体结构简单，易于集成。

27、4、在结构中，将mos管整流与电子开关组合，进一步简化设计，减小导通压降。