基于无源峰值检测的脉冲型微能源电源管理电路的制作方法

本发明涉及微能源能量管理领域，更具体地说，它涉及基于无源峰值检测的脉冲型微能源电源管理电路。

背景技术：

随着电子技术不断向小型化、集成化发展，传统的能源供给器件因其存在的不可再生、体积大、需反复充电等问题成为了电子技术发展的瓶颈。微能源技术采集环境中的能量为电子设备持续供能，拥有能量密度高、无污染、环境适应力强及易集成化等特点，在消费电子、航空航天、环境监控等方向具有广阔的发展前景。但是，目前常见的微能源采集器件由于阻抗匹配、输出电压和频率不稳定等问题，难以直接为电器供能。微能源的推广，需要解决其能量管理问题，实现稳定的电能输出以满足电子器件工作的需要。

近年，针对电磁发电，特别是压电发电和摩擦发电输出的脉冲型信号，已提出同步电荷提取电路的结构，采用整流桥、开关电路及降压储能模块实现对输出能量的整流降压储能，并提供稳定的直流输出。然而，常见的电路中，基于机械开关的电源管理方式，需针对发电机的结构及应用环境专门设计，通用性差。采用电子开关的电源管理电路，需采用额外电源对开关电路进行供电，并由于其内部漏电流的问题，其实用性受到限制。

因此，如何研究设计一种实用的通用型电源管理模块进行脉冲型微能源的采集管理是我们目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供基于无源峰值检测的脉冲型微能源电源管理电路，在实现电路自驱动的基础上提高电路的通用性及其能量转换效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：基于无源峰值检测的脉冲型微能源电源管理电路，包括依次连接的整流电路、降压电路以及储能模块，所述整流电路、降压电路之间设有基于无源峰值检测的开关电路，所述基于无源峰值检测的开关电路包括无源峰值检测电路和电子开关；

所述无源峰值检测电路，用于对所述整流电路输出的单向脉冲信号进行脉冲检测，并在所述单向脉冲信号达到峰值时向所述电子开关发出开关控制信号；

所述电子开关，串联于所述整流电路与降压电路之间，用于根据所述开关控制信号闭合后将整流电路与降压电路导通以实现能量最大化转移。

优选的，所述无源峰值检测电路包括分压电路、过渡电容cp、晶体管tp和rc微分电路；

所述分压电路，用于对所述单向脉冲信号进行分压处理后向过渡电容cp输入；

所述rc微分电路，用于对所述单向脉冲信号进行微分处理，并与过渡电容cp共同控制晶体管实现峰值检测输出开关控制信号。

优选的，所述分压电路包括电阻r1、电阻r2，电阻r1、电阻r2串联后与整流电路串联；所述过渡电容cp串联连接电阻rp、二极管后与电阻r2并联；所述分压电路在单向脉冲信号的脉冲上升阶段通过电阻rp和二极管串联后为过渡电容cp充能。

优选的，所述rc微分电路包括电容cd、电阻rd，电容cd、电阻rd串联后与整流电路串联；所述晶体管tp的发射极与过渡电容cp的充能端连接，基极与电容cd、电阻rd的串联点连接，集电极通过电阻r3与rd的另一端连接，以及集电极与电子开关连接；所述过渡电容cp、晶体管tp和电阻r3构成释放能量的回路；所述电阻r3两端形成电势差作为开关控制信号输出。

优选的，所述电子开关为mos管s1，mos管s1的栅极接收开关控制信号，源极与漏极串联于整流电路与降压电路之间。

优选的，所述降压电路包括构成屏蔽共模互感的初级电感l1、次级电感l2，电感的电感量为1μh-10mh。

优选的，所述储能模块包括储能器件、二极管，降压电路输出的电能经二极管储存在储能器件中。

优选的，所述储能器件为储能电容cr、锂电池、超级电容中的任意一种。

本发明的另一目的是提供一种电子设备，包括微能源采集器件、微能源电源管理电路，微能源电源管理电路电性连接于微能源采集器件的输出端；所述微能源电源管理电路为上述任意一项所述的基于无源峰值检测的脉冲型微能源电源管理电路。

优选的，所述微能源采集器件为压电发电机、摩擦发电机、电磁发电机中的任意一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明基于无源峰值检测电路，由无源峰值检测电路实现了整个电源管理电路的自驱动，提高了电路的实用性。

2.本发明由基础电子器件搭建组成，结构简单，体积小，易于大规模生产。

3.本发明整体结构基于同步电荷提取电路，对于脉冲型信号的输入有较好的适应性，无特殊器件或结构，有较好的通用性。

4.本发明可提高微能源到电子器件的能量转化效率，提高了微能源的实用价值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中的结构框图；

图2是本发明实施例中的电路原理图；

图3是本发明实施例中采用摩擦纳米发电机实验验证的输出波形图；

图4是本发明实施例中采用摩擦纳米发电机为10μf电容充电效果对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-4，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：基于无源峰值检测的脉冲型微能源电源管理电路，如图1所示，包括依次串联连接的整流电路、基于无源峰值检测的开关电路、降压电路以及储能模块。

如图1与图2所示，整流电路采用桥式整流桥，其电性连接于脉冲型微能源后端，接收脉冲型微能源输出的交流脉冲，输出整流后的单向脉冲。

如图2所示，基于无源峰值检测的开关电路包括无源峰值检测电路和电子开关。无源峰值检测电路，用于对整流电路输出的单向脉冲信号进行脉冲检测，并在单向脉冲信号达到峰值时向电子开关发出开关控制信号。电子开关串联于整流电路与降压电路之间，用于根据开关控制信号闭合后将整流电路与降压电路导通以实现能量最大化转移。基于无源峰值检测的开关电路检测输入的脉冲信号并控制整个电路的通断以解决微能源的阻抗匹配问题，提高能量的传输效率。

如图2所示，无源峰值检测电路包括分压电路、过渡电容cp、晶体管tp和rc微分电路。分压电路用于对单向脉冲信号进行分压处理后向过渡电容cp输入。rc微分电路用于对单向脉冲信号进行微分处理，并与过渡电容cp共同控制晶体管实现峰值检测输出开关控制信号。

如图2所示，分压电路包括电阻r1、电阻r2，电阻r1、电阻r2串联后与整流电路串联。过渡电容cp串联连接电阻rp、二极管后与电阻r2并联。分压电路在单向脉冲信号的脉冲上升阶段通过电阻rp和二极管串联后为过渡电容cp充能。

如图2所示，rc微分电路包括电容cd、电阻rd，电容cd、电阻rd串联后与整流电路串联。晶体管tp的发射极与过渡电容cp的充能端连接，基极与电容cd、电阻rd的串联点连接，集电极通过电阻r3与rd的另一端连接，以及集电极与电子开关连接。过渡电容cp、晶体管tp和电阻r3构成释放能量的回路，cp中的能量经r3完全释放，为下一次检测做好准备。电阻r3两端形成电势差作为开关控制信号输出。

如图2所示，在本实施例中，电子开关为mos管s1，mos管s1的栅极接收开关控制信号，源极与漏极串联于整流电路与降压电路之间。常态下为断开状态，当无源峰值检测电路检测到输入脉冲峰值随之产生开关控制信号时导通。

如图2所示，降压电路包括构成屏蔽共模互感的初级电感l1、次级电感l2，电感的电感量为1μh-10mh。

如图2所示，储能模块包括储能器件、二极管，降压电路输出的电能经二极管储存在储能器件中。储能模块可向外提供稳定的直流输出。储能器件为储能电容、锂电池、超级电容中的任意一种。

如图2所示，微能源采集器件为压电发电机、摩擦发电机、电磁发电机中的任意一种。

电源管理电路在正常工作时可分为三个阶段：

第一阶段，当脉冲信号输入经过桥式整流后，电压处于上升阶段时，此时mos管s1断开，过渡电容cp通过分压电路储能，其两端电压增加。同时rc微分电路的输出也随脉冲信号电压的上升一起上升，此时晶体管tp断开。

第二阶段，当脉冲信号到达峰值下降的瞬间，rc微分电路的输出快速下降，此时晶体管tp快速导通，cp沿着tp和r3构成的回路释放能量，同时于r3两端形成电势差作为开关的控制信号输出。开关mos管s1在此控制信号的作用下导通，电流在峰值电压的驱动下快速流过降压电路中屏蔽共模互感的初级电感l1，并将能量以电流的形式储存在储能模块中。

第三阶段，能量由屏蔽共模互感的初级电感l1传递给次级电感l2，次级电感l2经二极管与储能电容cr的回路释放能量，由lc振荡能量最终储存于储能电容cr，储能电容cr两端提供稳定的直流输出。

对于电路中作为开关的的mos管s1应满足高耐压低功耗的特点以减少能量于电路上的损耗，于实际搭建测试中选用的mos管s1为stn3n45k3。同时以应对微能源高阻抗的特点，分压电路和微分电路的搭建均选用了高值的电阻和低容值的电容，电阻取值为100mω，电容为220pf。电阻rp取值较小，实测中选用330ω电阻。同时过渡电容cp的取值应适中，电阻cd取值过大，其电压上升过慢，且增加电路消耗。电阻cd取值过小，难以提供足以控制开关mos管导通的电压。实测中选用100pf的电容。

实验验证与分析：

图3为本发明于摩擦纳米发电机供电情况下，基于无源峰值检测的开关电路及储能电容cr的电压输出实测曲线。switch和c分别为基于无源峰值检测的开关电路和储能电容cr两端的电压。测试中采用的微能源为滑动摩擦式的纳米摩擦发电机，储能电容为cr为10μf。摩擦纳米发电机输出经过整流电路产生了19个正向脉冲，脉冲电压为100v，无源峰值检测电路随之输出了19个控制脉冲，控制脉冲峰值约为35v，随着每个控制脉冲，储能电容cr的电压随之上升。最终储能电容cr两端的电压由0v上升至0.8v。

图4为本发明于摩擦纳米发电机供电的情况下实施电源管理前后为10μf电容充电的结果对比。pmm为摩擦纳米发电机经过电源管理电路后的充电曲线，none为直接采用摩擦纳米发电机的充电曲线。摩擦纳米发电机采用与图3中相同的滑动式摩擦纳米发电机，两次充电过程中均经过了10个放电周期，产生了20个脉冲信号，脉冲信号电压值均值约为100v。于摩擦纳米发电机10个放电周期后，经过电源管理电路，10μf电容两端的电压由0v上升至约0.8v。而摩擦发电机直接充电，电容两端的电压由0v上升至了0.35v。由此可见，本发明设计的基于无源峰值检测电路的适用于脉冲型微能源的电源管理电路可以有效提高微能源的能量传输效率。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。