[发明专利]一种微型电磁式动能采集器的电源管理电路

说明书

本发明公开了一种微型电磁式动能采集器的电源管理电路，可用于包含线圈阵列、并具有高输出电压的电磁式动能采集器。该电源管理电路包括主支路和次支路，主支路是由采集器的大部分线圈供电的储能支路，其包含整流模块、DC‑DC转换模块、储能模块和放电模块；次支路是由采集器的少量线圈单独供电的控制支路。主支路采用Buck‑Boost型DC‑DC转换器对采集器进行阻抗匹配，次支路产生的信号对主支路DC‑DC转换器的开关进行控制。本发明提出的电路是完全自主的电源管理电路，不同于一般的反馈式闭环电路，其具有独特的两支路开环结构，并且比常规的标准能量采集电路具有更高的效率，在无线传感及植入式系统等领域具有应用价值。

技术领域

本发明涉及无线传感及清洁能源领域，特别涉及具有高电压输出的微型电磁式动能采集器的高效率电源管理电路，可应用于为无线传感节点和便携式电子产品等供电。

背景技术

随着科学技术的发展和人类社会的进步，发展经济的同时也要考虑自然环境的保护，而从能源的角度分析，利用环境中的太阳能、热能、风能、振动能等非常环保。因此，各种形式的微型环境能量采集器逐渐发展起来。物联网技术是新一代的信息技术，具有广阔的发展前景，采集器采集到的能量可以应用于物联网领域，如可以利用微型能量采集器实现无线传感节点的自供能。微型能量采集器的平均输出功率一般较小，无法直接为无线传感节点和便携式设备供电。为了满足微型电子设备的用电要求，需要设计相应的电源管理电路。

微型动能采集器可以将环境中的动能(如振动能、风能和冲击能)转换为交流电，为了更加高效地把采集到的电能用于为无线传感节点等供电，需要设计与之匹配的电源电路。微型动能采集器的电源管理电路包括整流模块、电压转换模块、储能模块、自主放电模块和稳压模块。

不同形式的微型动能采集器的电气输出性能不同，需要不同的电源管理电路进行匹配，以达到提高储能效率的目的。如微型压电式动能采集器输出电压大、输出电流小，相应的有标准能量采集电路(standard energy harvesting circuit,SEH)、同步电荷提取电路(synchronous charge extraction circuit,SCE)、并联同步开关电感电路(parallelsynchronized switch harvesting on inductor,P-SSHI)、串联同步开关电感电路(series synchronized switch harvesting on inductor,S-SSHI)。微型电磁式动能采集器一般具有输出电压小、输出电流大的特点，其电压一般只有几百毫伏，很难达到整流二极管的正向导通电压，通常需要经过升压、整流后才能储能。同步磁通量提取电路(synchronized magnetic flux extraction circuit,SMFE)利用线圈的电感来构造Boost型DC-DC转换电路实现升压，在电流极值处控制开关的短暂闭合，使电路在一个周期内能充电两次，但这种SMFE电路的开关控制目前尚未实现自供能，需要采用外部电源进行供电；倍压电路采用一系列的二极管和电容对采集器输出的电压进行升压，其电路的结构比较复杂，功耗较高，充电速度慢。

针对具有高输出电压的微型电磁式动能采集器(如发明专利：一种基于碰撞的宽带低频电磁式振动能采集器,申请号:201611082425.7.)，本发明提出了一种完全自主的高效电源管理电路。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为具有高输出电压的微型电磁式振动能采集器提供一种完全自主的高效率电源管理电路，以替代传统的化学电池为无线传感节点及便携式电子产品等供电。本发明将Buck-Boost型DC-DC转换器应用于具有高输出电压的微型电磁式动能采集器的接口电路，不需要进行升压，在Buck-Boost型DC-DC转换器的开关控制信号占空比较低情况下，使用接口电路对采集器进行阻抗匹配，提高了采集器的输出功率。