[發明專利]一種用于振動能量采集器的開關電感整流電路及方法

有效

• 申請號: 201910149328.2
• 申請日: 2019-02-28
• 公開（公告）號: CN109787492B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 于嘉琪;王文思
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H02M7/219
• 分類號: H02M7/219
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

本發明涉及一種用于振動能量采集器的開關電感整流電路及方法,包括可控開關并聯電感AC?DC主模塊，開關時間控制模塊1和開關時間控制模塊2，本發明輸入端為振動能量采集器采集到的交流電壓電流。當輸入端的振蕩信號電壓從正電壓向負電壓翻轉時，由于采集器的感性器件特性，電壓與電流產生相位差，在這段時間內會產生電荷損失。本發明采用邏輯電路對電感開關控制與全橋整流電路相結合的方式，當產生相位差時，時間控制模塊1開始工作驅動電感開關開啟收集翻轉時損失的電荷；翻轉結束后，時間控制模塊2控制電感開關關斷，并開啟對輸出電容的開關，釋放存儲后的電荷，以此來提高轉換效率。

技術領域

本發明是一種用于振動能量采集器的可控開關并聯電感AC-DC整流電路，主要應用范圍是為振動能量采集器提供交流轉化直流的整流功能，屬于開關電源與集成電路領域。

背景技術

電能在現代工業生產、生活中廣泛使用，伴隨著電子控制系統的集成化與微小化，物聯網設備與一些便攜電子設備的電能來源成為亟待解決的問題。因為傳統的電池供電存在高污染，大體積以及高維護成本(電池更換維護的人力成本以及電池購置成本)等問題。對于低功耗系統，往往具有體積小數量多的特點，尤其物聯網龐大的設備量往往使得成本倍數上升。所以微能量采集技術成為解決這一困擾的最優方案。

能量采集技術是通過采集自然環境中的能量，如：太陽能，風能，動能，熱能等，將其轉化為電能的技術。在工業級用電中這種發電手段已經非常普遍，但是微能量采集技術只在近些年來才得到發展，其根本原因是上述能量在微能量環境下所產生的能量十分微小，往往只有微安至毫安級，受限于材料，裝置設計以及整流電路的技術，這些微能量采集效率極低，甚至無法采集轉化為電能為設備供電。但伴隨著科學技術的發展，這些問題都在逐步得到改善，國際市場上也出現了相關的產品并可以正常為設備提供電能。例如許多著名的鐘表廠商像TISSOT等，都在穿戴手表中設計了擺錘，通過人體的手臂甩動來采集電能給手表供電。

在多種微能量中，相較于太陽能需要太陽板面積要求，熱能需要嚴格的溫度要求，風能來源不穩定等因素，振動能來源廣泛且方便獲取，所以振動能量對于微能量采集的實用性更強，適用性更廣。日常生活中無處不在可以獲得振動微能量的地方，例如：人在行走時甩臂動作以及腳部踩踏動作，汽車發動機在發動時的振動，火車經過車軌連接處時產生的上下振動等等。

一套完善的振動微能量采集系統應該包括振動能量采集器和能量采集電源管理芯片。典型的振動能量采集器可以分為電磁式振動能量采集器和壓力式振動能量采集器。電磁式振動能量采集器利用的是切割磁感線運動的原理，其基本結構為：使用一個圓柱狀中空外殼(輕便材料且抗撞擊能力較強)，在外殼外纏繞線圈，外殼兩端分別安裝磁鐵，內部安裝一個磁極與兩端磁鐵相反的磁柱。當振動產生時，磁柱在殼內進行切割磁感線運動，從而產生交流電能。壓電式振動能量采集器相較于電磁式，在集成化、微型化上擁有極大優勢，且高能量密度，輸出電壓高，電流低等特點為接口電路設計提供了有利的設計條件。現在的主流的壓電式振動能量采集器結構一般使用懸臂梁結構。懸臂梁結構由金屬懸臂梁上下兩端貼上壓電片并在首端放置質量塊構成，其機械模型可以等效為只有一個自由度的彈簧質量阻尼系統。不同的懸臂梁結構的采集器會擁有不同的轉換效率(由振源到裝置輸出)以及不同的固有頻率。當振動頻率接近采集器的固有頻率的時候，轉換效率就越高。能量采集電源管理芯片是用來對采集器產生的電壓電流進行整流，從而生成可以對后續電路或者設備供電的穩定電壓。但振動能量采集器輸出的能量擁有高電壓，低電流的特點，所以對于能量采集電源管理芯片的設計有相對特殊且嚴格的要求。