专利名称：一种能量采集系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种能量采集系统及其方法。
背景技术：
能量采集是指将身边发生的微小的振动能和热能等能量转换为电能的技术。转换的电能可用来给其他器件供电。因此，能量采集器可从机械运动中有效地提供电能。如风管的微小振动能量可被采集并被转化为电能，该电能可以用来给测量风管温度的感应器供电，使感应器无需依赖远程电源或者电池供电。图1为现有能量米集系统的电路结构不意图。如图1所不，现有能量米集系统米用桥式二极管结构(包括二极管Dl D4)和升压变换器将能量采集器采集的电能转化为所需的电压水平，以给负载供电。然而桥式二极管的能耗太大，降低了系统效率。此外，当能量采集器采集的电压比较低，如低于O. 5V时，桥式二极管将不能启动，这限制了低压场合下的能量采集与转化。
发明内容
因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种改进的能量采集系统及其方法。根据本发明的实施例，提出了一种能量采集系统，包括能量采集器，产生交流电能，所述能量采集器具有第一端子和第二端子；储能端口，提供储能电压；第一可控晶体管，耦接在能量采集器的第一端子和储能端口之间；第二可控晶体管，耦接在能量采集器的第一端子和参考地之间；第三可控晶体管，耦接在能量采集器的第二端子和储能端口之间；第四可控晶体管，耦接在能量采集器的第二端子和参考地之间；储能电容，耦接在储能端口和参考地之间；其中所述第一可控晶体管和第二可控晶体管运行于相对低频模式，第三可控晶体管和第四可控晶体管运行于相对高频模式。根据本发明的实施例，还提出了一种用于能量采集系统的方法，包括将机械振动转化为交流电能；通过一双向升压变换器将所述交流电能抬高至所需的电压水平；将抬高的电压存储在储能电容中，得到储能电压。根据本发明各方面的上述能量采集系统及其方法，减小了能耗，并可在低压场合下被容易地启动。
图1为现有能量米集系统的电路结构不意图；图2为根据本发明一实施例的能量采集系统100的电路结构示意图；图3示出了根据本发明另一个实施例的能量采集系统200通过低压差线性调整器给微控制器供电的电路结构示意图；图4示出了根据本发明又一个实施例的能量采集系统300通过降压变换器给负载供电的电路结构示意图；图5示意性示出了根据本发明又一个实施例的用于能量采集系统的方法流程图400。
具体实施例方式下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。在整个说明书中，对“ 一个实施例”、“实施例”、“ 一个示例”或“示例”的提及意味着结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。图2为根据本发明一实施例的能量采集系统100的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述能量采集系统100包括能量采集器101，产生交流电能，所述能量采集器101具有第一端子IOla和第二端子IOlb ;储能端口 102，提供储能电压Vs ;第一可控晶体管Q1，耦接在能量采集器101的第一端子IOla和储能端口 102之间；第二可控晶体管Q2，耦接在能量采集器101的第一端子IOla和参考地之间；第三可控晶体管Q3，耦接在能量采集器101的第二端子IOlb和储能端口 102之间；第四可控晶体管Q4，耦接在能量采集器101的第二端子IOlb和参考地之间；储能电容Cs，耦接在储能端口 102和参考地之间；其中所述第一可控晶体管Ql和第二可控晶体管Q2运行于相对低频模式，第三可控晶体管Q3和第四可控晶体管Q4运行于相对高频模式。在一个实施例中，能量采集器101包括串联耦接的电感和交流电能产生器。在一个实施例中，交流电能产生器包括振荡发生器。在一个实施例中，第一至第四可控晶体管Ql Q4具有较低的门限电压(门极开启电压)。在一个实施例中，交流电能的频率在10 50赫兹之间。在能量采集系统100运行时，当能量采集器101产生的交流电能为正时，如能量采集器101的第一端子IOla为电气正、其第二端子IOlb为电气负时,第一可控晶体管Ql被控制保持导通闭合状态，第二可控晶体管Q2被控制保持断开状态，而第三可控晶体管Q3和第四可控晶体管Q4被控制在导通闭合状态与断开状态之间进行切换。相应地，能量采集系统100形成一升压(boost)变换器。此时交流电能被转化为电压水平较高的储能电压Vs。当能量采集器101产生的交流电能为负时，如能量采集器101的第一端子IOla为电气负、其第二端子IOlb为电气正时，第一可控晶体管Ql被控制保持断开状态，第二可控晶体管Q2被控制保持导通闭合状态，而第三可控晶体管Q3和第四可控晶体管Q4被控制在导通闭合状态与断开状态之间进行切换。相应地，能量采集系统100也形成一升压(boost)变换器，所述交流电能被转化为电压水平较高的储能电压Vs。适当控制第三可控晶体管Q3和第四可控晶体管Q4，可得到任意被抬高的储能电压Vs。能量采集系统产生的储能电压Vs可用于给不同的负载供电。图3示出了根据本发明另一个实施例的能量采集系统200通过低压差线性调整器给微控制器供电的电路结构示意图。在图3中，采用与图2类似的附图标记表示相同的元件，其中附图标记是三位数字，第一位是“2”，第二位和第三位与图2中的相应元件的相应数字相同。如图3所示，能量采集系统200包括能量采集器201、第一至第四可控晶体管Ql Q4、储能电容Cs。所述能量采集器201、第一至第四可控晶体管Ql Q4以及储能电容Cs相互之间的电路耦接关系与图2所示能量采集系统100相似，为叙述简明，这里不再详述。如图3所示，能量采集系统200进一步包括串联耦接在储能端口 202和参考地之间的低压差线性调整器LDO和微控制器μ C。在一个实施例中，微控制器μ C的能耗很低，所述微控制器μ C可用于执行检测、测试和监视等任务。当要执行测量、校准、数据传输等任务时，降压(buck)变换器将可能被用到。图4示出了根据本发明又一个实施例的能量采集系统300通过降压变换器给负载供电的电路结构示意图。在图4中，采用与图2类似的附图标记表示相同的元件，其中附图标记是三位数字，第一位是“ 3”，第二位和第三位与图2中的相应元件的相应数字相同。如图4所示，能量采集系统300包括能量采集器301、第一至第四可控晶体管Ql Q4、储能电容Cs。所述能量采集器301、第一至第四可控晶体管Ql Q4以及储能电容Cs相互之间的电路耦接关系与图2所示能量采集系统100相似，为叙述简明，这里不再详述。如图4所示，能量采集系统300进一步包括串联耦接在储能端口 302和参考地之间的降压变换器和负载。在一个实施例中，所述降压变换器包括同步降压变换器。前述根据本发明多个实施例的能量采集系统通过较低的能耗和简单的电路结构提供所需的电压水平。不同于现有技术，前述根据本发明多个实施例的能量采集系统通过多个可控晶体管形成双向升压变换器，从而减小了能耗，并且所述能量采集系统在低压场合下可被容易地启动。图5示意性示出了根据本发明又一个实施例的用于能量采集系统的方法流程图400。如图5所示,所述方法包括步骤401，将机械振动转化为交流电能。步骤402，通过一双向升压变换器将所述交流电能抬高至所需的电压水平。在一个实施例中，所述双向升压变换器包括H桥结构耦接的四个可控晶体管，形成第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂的可控晶体管运行于相对低频模式，所述第二桥臂的可控晶体管运行于相对高频模式。在一个实施例中，所述四个可控晶体管具有较低的门限电压。步骤403，将抬高的电压存储在储能电容中，得到储能电压。在一个实施例中，所述方法还包括将储能电压经由一低压差线性调整器给微控制器供电。在一个实施例中，所述方法还包括将储能电压经由一降压变换器给负载供电。虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种能量采集系统，包括能量采集器，产生交流电能，所述能量采集器具有第一端子和第二端子；储能端口，提供储能电压；第一可控晶体管，耦接在能量采集器的第一端子和储能端口之间；第二可控晶体管，耦接在能量采集器的第一端子和参考地之间；第三可控晶体管，耦接在能量采集器的第二端子和储能端口之间；第四可控晶体管，耦接在能量采集器的第二端子和参考地之间；储能电容，耦接在储能端口和参考地之间；其中所述第一可控晶体管和第二可控晶体管运行于相对低频模式，第三可控晶体管和第四可控晶体管运行于相对高频模式。
2.如权利要求1所述的能量采集系统，其中所述能量采集器包括串联耦接的电感和交流电能产生器。
3.如权利要求1所述的能量采集系统，其中当所述交流电能为正时，所述第一可控晶体管被控制保持导通闭合状态，第二可控晶体管被控制保持断开状态，第三可控晶体管和第四可控晶体管被控制在导通闭合状态与断开状态之间进行切换；当所述交流电能为负时，所述第一可控晶体管被控制保持断开状态，第二可控晶体管被控制保持导通闭合状态，第三可控晶体管和第四可控晶体管被控制在导通闭合状态与断开状态之间进行切换。
4.如权利要求1所述的能量采集系统，进一步包括串联耦接在储能端口和参考地之间的低压差线性调整器和微控制器。
5.如权利要求4所述的能量采集系统，其中所述微控制器执行检测、测试和监视任务。
6.如权利要求1所述的能量采集系统，进一步包括串联耦接在储能端口和参考地之间的降压变换器和负载。
7.如权利要求1所述的能量采集系统，其中所述第一至第四可控晶体管具有较低的门限电压。
8.一种用于能量采集系统的方法，包括将机械振动转化为交流电能；通过一双向升压变换器将所述交流电能抬高至所需的电压水平；将抬高的电压存储在储能电容中，得到储能电压。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述双向升压变换器包括H桥结构耦接的四个可控晶体管，形成第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂的可控晶体管运行于相对低频模式，所述第二桥臂的可控晶体管运行于相对高频模式。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述四个可控晶体管具有较低的门限电压。
全文摘要
本申请公开了一种能量采集系统及其方法。能量采集系统包括能量采集器，产生交流电能，能量采集器具有第一端子和第二端子；储能端口，提供储能电压；第一可控晶体管，耦接在能量采集器的第一端子和储能端口之间；第二可控晶体管，耦接在能量采集器的第一端子和参考地之间；第三可控晶体管，耦接在能量采集器的第二端子和储能端口之间；第四可控晶体管，耦接在能量采集器的第二端子和参考地之间；储能电容，耦接在储能端口和参考地之间；其中第一可控晶体管和第二可控晶体管运行于相对低频模式，第三可控晶体管和第四可控晶体管运行于相对高频模式。该能量采集系统降低了能耗、简化了电路结构，并可在低压场合得到应用。
文档编号H02M7/217GK103051221SQ20121055750
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月20日 优先权日2011年12月21日
发明者杨先庆 申请人:成都芯源系统有限公司