一种电线磁场能量采集电源的制作方法

本发明涉及一种电线磁场能量采集电源，特别是涉及一种提高取能效率的取能磁芯结构，提高输出功率的匹配电路、以及电源管理电路。

背景技术：

近年来，无线传感器网络在物联网、智能家居、智能制造等领域得到了广泛的应用，越来越多的无线传感器节点被用于环境监测，比如温度、湿度、风速和烟雾等测量。传统上，无线传感器节点通常采用电池供电，受电池有限能量限制，需要人工定期维护更换电池，这就大大地增加了人工成本和物料成本，尤其在危险、偏远等人力难以到达的场合。通过将电磁能转换成电能为无线传感器节点供电，对于不方便更换电池、需要长期监测的应用场合，可以有效地解决传感网络中电子设备的供能问题。

考虑到交流电线产生的电磁能量广泛分布在家庭、车间、电力系统等，且较为稳定。电线电流、温度等又是用电安全监测是主要参数，电线可能因老化等原因发生温度升高，甚至起火等事故。因此，针对智能家居、智能制造和智能电网，通过能量采集器收集将交流电线周围的电磁能为传感器供电，监控电线周围的环境状况，成为最佳选择。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种电线磁场能量采集电源，采用的技术方案如下：

本发明包括取能线圈、匹配保护电路、整流电路、能量存储电路、电压监控及控制电路和稳压输出电路，其中所述取能线圈的一次侧为电线，取能线圈的二次侧与匹配保护电路连接，匹配保护电路与整流电路并联，整流电路的输出端与能量存储电路串联，能量存储电路的输出端再与稳压输出电路串联，电压监控及控制电路的输出端与稳压输出电路连接，电压监控及控制电路的输入端与能量存储电路连接，电压监控及控制电路的另一输出端与匹配保护电路连接；

所述匹配保护电路在大电流的时候保护电路不被烧坏，以及提高取能线圈输出功率；所述整流电路将交流变为直流；所述电压监控及控制电路用于监控能量存储电路的电压是否在预设范围内，以控制能量存储电路不超预设范围；所述稳压输出电路用于降压之后为负载供电。

进一步，磁芯用于取得交流电能，通过设计其结构，来提高线圈输出功率。为方便安装，必须要有开口，在闭合之后的间隙，还是这会引发磁漏，为提高取能效率，减小漏磁，设计使用锯齿状的开口方式，其作用是在不改变磁芯的体积的情况下，减小两个磁芯间的间隙导致的磁漏，提高磁感应强度，减小漏磁，并且其漏磁会随着锯齿长度的增加，漏磁会越来越少，以此来提高取能线圈的输出功率。锯齿长度为磁芯宽度的1-2倍。所述取能线圈具有闭合磁芯，所述闭合磁芯由至少两个磁芯块组合而成，所述磁芯块的两端为锯齿状，两个磁芯块连接处的锯齿互补，使两个磁芯块的连接平整。

进一步，所述匹配保护电路包括谐振匹配电路和保护电路，谐振匹配电路为连接在取能线圈二次侧两端的电容，谐振匹配电路可以提高取能线圈的输出功率，通过对电路进行电容匹配，使电路发生谐振，所述的谐振电路使用的是串联谐振，提高线圈输出功率。所述保护电路由瞬变抑制二极管tvs和压敏电阻组成，所述二极管tvs与压敏电阻并联后，与取能线圈的二次侧两端连接。为防止电路发生过压冲击，当电压超过二极管钳制电压时，二极管击穿，将取能线圈短路，保护后端电路，待电压恢复正常时，电路恢复正常工作。

进一步，所述整流电路选用桥式全波整流电路。

进一步，所述能量存储电路选用0.47f的超级电容，其耐压值为5.5v。

进一步，所述电压监控及控制电路由迟滞比较器与双向开关组成，迟滞比较器的反向端接入基准电压(电压比较器自带基准电压)，迟滞比较器的正向端与能量存储电路连接，迟滞比较器的输出端与双向开关的一端连接，双向开关的另一端与稳压输出电路连接。迟滞比较器由电压比较器加上正反馈电阻组成，通过电压比较器对超级电容两端电压进行监控，当超级电容电压达到上门限电压时，控制双向开关导通，将输出线圈(也即取能线圈，图2的i2位置)短路，停止对超级电容充电，当超级电容达到下门限电压时，控制双向开关断开，再继续为超级电容充电，其设置高电压阀值为5v，低电压阀值为4.7v，其比较器自带基准电压，无需外部供给基准电压，通过电阻匹配，使整体电流小1ua。

进一步，所述双向开关采用两个n沟道增强型mos管构成，迟滞比较器的输出端与两个mos管的栅极连接，两个mos管的源极连接并接地，两个mos管的漏极分别连接到取能线圈的二次侧线圈，把取能线圈短路。迟滞比较器采用自带基准电压的比较器。

进一步的为保证负载正常工作，设置了稳压输出电路，所述稳压输出电路为ldo稳压芯片，其芯片输出电压为3.3v。

本发明还包括辅助电源，所述辅助电源的一端与取能线圈的副线圈连接，另一端与电压监控及控制电路连接。辅助电源由串联的谐振匹配电路、全波整流电路和保护电路构成。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明对气隙磁芯接口进行了优化设计，在不增大磁芯体积情况下，将磁芯接口设计为锯齿形，从而降低了磁芯在气隙处的磁阻，提高了气隙磁芯的相对磁导率。采用串联匹配后的电路发生谐振，在电线电流为2a的小电流情况下，与非匹配和并联匹配电路相比，串联匹配可使取能线圈输出更高的功率。电路中采用超级电容进行能量存储，可明显提高电路的瞬时输出功率，通过稳压电路使电路输出电压稳定在3.3v，同时设计了保护控制电路限制超级电容两端电压。当电线电流为2a时，取能电源即可为负载正常供电。

附图说明

图1为电源管理电路结构框图；

图2为取能线圈结构图；

图3为取能磁芯结构图；

图4为串联谐振匹配图；

图5为全波整流电路和保护电路原理图；

图6为电压监控及控制电路工作流程图；

图7为控制电路及双向开关原理图；

图8为辅助电源原理图。

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，详细的描述。所描述的只是本发明的一部分实施例。

参见图1，本发明提供一种电线磁场能量采集电源包括取能线圈1、匹配保护电路2、整流电路3、能量存储电路4、电压监控及控制电路6和稳压输出电路5，其中所述取能线圈1的一次侧为电线，取能线圈1的二次侧线圈与匹配保护电路2连接，匹配保护电路2与整流电路3并联，整流电路3的输出端与能量存储电路4串联，能量存储电路4的输出端再与稳压输出电路5串联，电压监控及控制电路6的输出端与稳压输出电路5连接，电压监控及控制电路6的输入端与能量存储电路4连接，电压监控及控制电路6还与匹配保护电路2连接。

为实现电源供电，该电源采用电流互感器的二次绕组供电，如图2所示，本发明还包括有储能装置，其电流互感器磁芯使用铁氧体作为磁芯，一次侧为电线，二次绕组为线圈，此外为了给控制电路供电，防止线路有电时控制电路处于失控状态，还设计有副线圈为控制电路供电，副线圈的供电电路与主线圈的供电电路基本一致，为了便于安装，本发明磁芯设计有开口，但为减小漏磁，提高磁感应强度，采用了锯齿形开口方式，其磁芯结构如图3所示。

在本实施例中，要求电流互感器的电线电流不小于2a，以保证电源能为负载提供足够的电能以及为控制电路提供足够的电压。

图4给出的是串联谐振电路匹配原理图，由于电流互感器可以等效为一个电流源、电阻、电感的串联电路，其整个电路呈感性输出，线圈将输出较大的无功功率，从而降低了电源的输出功率，此时为线圈匹配一个电容，让线圈成纯电阻性输出，此时电路将发生谐振，从而提高了线圈的输出功率。

本实施例采用全波整流电路，提高了整流效率，全波整流电路和保护电路如图5所示，其保护电路采用的是瞬变抑制二极管tvs和压敏电阻r，所述二极管tvs与压敏电阻并联后，一端与取能线圈的二次侧两端连接，另一端与整流电路并联，利用tvs的反向击穿特性可以有效防止电路发生过压而损坏，当电压超过二极管钳制电压时，二极管击穿，将取能线圈短路，保护后端电路，待电压恢复正常时，电路恢复正常工作。

电压监控及控制逻辑如图6所示，其电路如图7所示，该电路由迟滞比较器与双向开关组成，迟滞比较器由电压比较器加上正反馈电阻组成，通过调节电阻阻值，可以设定其输入电压的上门限电压(vh)和下门限电压(vl)，通过电压比较器对超级电容两端电压进行监控，当超级电容电压达到上门限电压(vh)时，控制双向开关导通，将输出线圈短路，停止对超级电容充电，当超级电容达到下门限电压(vl)时，控制双向开关断开，再继续为超级电容充电，通过电阻阻值调节设置上门限电压阀值为5v，下门限电压阀值为4.7v，其比较器选用自带基准电压，无需外部供给基准电压的电压比较器，通过电阻匹配，使整体电流小1ua。双向开关为n沟道增强型mos管，通过迟滞比较器的输出，控制mos管的栅极电压来达到控制mos管的导通和关断。

当电线电流比较低时，由于取能线圈输出功率较低，不足以直接驱动电路正常工作，而超级电容从0v充到5v需要一定的时间，因此当为负载供电时，如果稳压电路始终处于工作状态，那么在超级电容充电过程中，负载在上电瞬间需要消耗较多的能量，这将导致超级电容两端电压迅速下降至工作电压之下，从而导致电路无法正常工作。针对该问题，本发明同样采用电压比较器设计控制电路，设置阈值电压为3.3v～4.5v，当超级电容充电至4.5v时，ldo稳压电路正常工作，保证传感器节点可以正常初始化，当超级电容两端电压小于3.3v时，输出ldo电路使能，保证超级电容正常充电。

由于电源正常工作时超级电容电压为4.7v-5.5v，为了保证电压需求为3.3v负载正常工作，本发明采用线性稳压ldo芯片，确保本电源输出电压为3.3v。

如图8所示，副线圈供电电路与主线圈相似，同样使用串联谐振匹配电路，全波整流电路，保护电路，不同点在于ldo芯片的输入电压和输出电压，其输入电压为宽范围输入，输出电压为5v的线性稳压ldo芯片。