[发明专利]一种用于振动能量采集器的开关电感整流电路及方法

说明书

本发明涉及一种用于振动能量采集器的开关电感整流电路及方法,包括可控开关并联电感AC‑DC主模块，开关时间控制模块1和开关时间控制模块2，本发明输入端为振动能量采集器采集到的交流电压电流。当输入端的振荡信号电压从正电压向负电压翻转时，由于采集器的感性器件特性，电压与电流产生相位差，在这段时间内会产生电荷损失。本发明采用逻辑电路对电感开关控制与全桥整流电路相结合的方式，当产生相位差时，时间控制模块1开始工作驱动电感开关开启收集翻转时损失的电荷；翻转结束后，时间控制模块2控制电感开关关断，并开启对输出电容的开关，释放存储后的电荷，以此来提高转换效率。

技术领域

本发明是一种用于振动能量采集器的可控开关并联电感AC-DC整流电路，主要应用范围是为振动能量采集器提供交流转化直流的整流功能，属于开关电源与集成电路领域。

背景技术

电能在现代工业生产、生活中广泛使用，伴随着电子控制系统的集成化与微小化，物联网设备与一些便携电子设备的电能来源成为亟待解决的问题。因为传统的电池供电存在高污染，大体积以及高维护成本(电池更换维护的人力成本以及电池购置成本)等问题。对于低功耗系统，往往具有体积小数量多的特点，尤其物联网庞大的设备量往往使得成本倍数上升。所以微能量采集技术成为解决这一困扰的最优方案。

能量采集技术是通过采集自然环境中的能量，如：太阳能，风能，动能，热能等，将其转化为电能的技术。在工业级用电中这种发电手段已经非常普遍，但是微能量采集技术只在近些年来才得到发展，其根本原因是上述能量在微能量环境下所产生的能量十分微小，往往只有微安至毫安级，受限于材料，装置设计以及整流电路的技术，这些微能量采集效率极低，甚至无法采集转化为电能为设备供电。但伴随着科学技术的发展，这些问题都在逐步得到改善，国际市场上也出现了相关的产品并可以正常为设备提供电能。例如许多著名的钟表厂商像TISSOT等，都在穿戴手表中设计了摆锤，通过人体的手臂甩动来采集电能给手表供电。

在多种微能量中，相较于太阳能需要太阳板面积要求，热能需要严格的温度要求，风能来源不稳定等因素，振动能来源广泛且方便获取，所以振动能量对于微能量采集的实用性更强，适用性更广。日常生活中无处不在可以获得振动微能量的地方，例如：人在行走时甩臂动作以及脚部踩踏动作，汽车发动机在发动时的振动，火车经过车轨连接处时产生的上下振动等等。

一套完善的振动微能量采集系统应该包括振动能量采集器和能量采集电源管理芯片。典型的振动能量采集器可以分为电磁式振动能量采集器和压力式振动能量采集器。电磁式振动能量采集器利用的是切割磁感线运动的原理，其基本结构为：使用一个圆柱状中空外壳(轻便材料且抗撞击能力较强)，在外壳外缠绕线圈，外壳两端分别安装磁铁，内部安装一个磁极与两端磁铁相反的磁柱。当振动产生时，磁柱在壳内进行切割磁感线运动，从而产生交流电能。压电式振动能量采集器相较于电磁式，在集成化、微型化上拥有极大优势，且高能量密度，输出电压高，电流低等特点为接口电路设计提供了有利的设计条件。现在的主流的压电式振动能量采集器结构一般使用悬臂梁结构。悬臂梁结构由金属悬臂梁上下两端贴上压电片并在首端放置质量块构成，其机械模型可以等效为只有一个自由度的弹簧质量阻尼系统。不同的悬臂梁结构的采集器会拥有不同的转换效率(由振源到装置输出)以及不同的固有频率。当振动频率接近采集器的固有频率的时候，转换效率就越高。能量采集电源管理芯片是用来对采集器产生的电压电流进行整流，从而生成可以对后续电路或者设备供电的稳定电压。但振动能量采集器输出的能量拥有高电压，低电流的特点，所以对于能量采集电源管理芯片的设计有相对特殊且严格的要求。