带有最大功率追踪的低压能量采集电路

本发明涉及能量采集，具体地指一种带有最大功率追踪的低压能量采集电路。

背景技术：

1、近年来，无线传感器设备的出现改变了传统的数据采集和监测方式，广泛应用于环境监测、电厂温度压力监测和工厂气体监测等领域。上述通信模块与传感器模块通常体积很小，通信功耗和传感器工作功耗都较低，需要的电能功率也很小。对于有线联网的模块，传统的供电方式为直接电线供电，而对无线联网模块，传统的供电方式则为电池供电。

2、但是，这些物联网设备运行环境各异，数量巨大，随着通信模块与传感器模块数量的不断增加，采用直接电线供电的复杂程度与维修难度显著增加，且在复杂的环境下布线困难，在高频振动的环境下布线易松动；采用化学电池供电则电量有限，需人工定期维护与更换电池，随着设备数量增加，人力成本亦会显著增加，另外化学电池的大量使用，最终也会对环境造成污染与破坏，与绿色发展理念背道而驰。

3、因此，人们开始利用环境中的光、风、热、振动等能量来代替电池作为无线传感器设备的电源，实现高效的自供电系统。相比于传统的电池供能方法，能量收集技术减少了与电池供电系统相关的维护和处理成本，以及实施交流电供电所需的基础设施成本；相比于传统的供能设备，能量收集技术还需要额外的能量管理技术及相应的低压能量采集电路。而对于这些低功率、低电压的能量源来说，后续的能量管理电路尤为重要，不仅要将获得的能源转化为可利用的电能，还要保证效率，即最大功率的获得。

4、现有技术中具有相应的能量采集电路，但是具有以下缺点：第一，对于电压很低的能量无法采集，启动电压相对来说比较高；第二，能量采集电路系统负载，使得采集电路本身损耗的能量比较大；第三，电路系统中的负载阻抗总是与能量收集器的内阻不匹配，造成能量收集器本身损耗的能量比较大；第四，对于采集的能量未进行高效管理，造成能量的无谓损失。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，本发明提出一种带有最大功率追踪的低压能量采集电路，专门用于低压微弱能量采集，启动电压较低，无论电路系统中的负载内阻发生变化还是能量采集器的内阻因为环境原因发生变化，该电路都能够最大功率追踪实现阻抗匹配，提升整个采集电路收集能量的效率；同时采用超低功耗、高度集成的能量管理芯片，根据获取的能量值大小执行不同的管理策略，最大限度地降低采集电路的功耗，不仅提高整个系统的能量利用率，而且保证负载的正常工作。

2、为达到上述目的，本发明带有最大功率追踪的低压能量采集电路，其特别之处在于，包括：输入模块、电压电流检测模块、mcu控制模块、boost电路模块、dc-dc能量管理模块、储能模块、以及输出模块；

3、所述输入模块输入端与低压能量收集器相连，用于获得低压能量收集器从环境中取得的能量；

4、所述电压电流检测模块输入端连接输入模块电压电流采集处，用于采集输入模块的电压、电流信号，并将采集到的电压、电流信号传递出去；

5、所述mcu控制模块输入端连接电压电流检测模块输出端，用于接收、并读取电压电流检测模块中的电压、电流值，并随着电压、电流的改变而改变输出端pwm波的占空比，始终保持输出功率最大；

6、所述boost电路模块输入端连接输入模块输出端，用于放大输入模块电压值，包括两个mos管，两个所述mos管分别连接mcu控制模块输出端，利用mcu控制模块控制两个mos管通断，并随着电压、电流的改变而改变mos管的占空比，且两个mos管的通与断的时间一直相反，即两个mos管占空比之和为1，使所述低压能量采集电路的特性阻抗始终与能量收集器的内阻相匹配，实现最大功率追踪；

7、所述dc-dc能量管理模块输入端连接boost电路模块输出端,包括启动电压较高的第四号能量管理芯片和启动电压较低的第三号能量管理芯片，用于从boost电路输出的直流信号中提取能量，并根据获取的输入电压值大小执行不同的管理策略，输出设定的特定电压、电流值，保证负载的正常工作；

8、所述管理策略具体为：

9、当输入电压值在设定阈值内，第四号能量管理芯片无法正常工作，启动第三号能量管理芯片开始工作，直至输入电压达到设定阈值时，第四号能量管理芯片为负载供电，并将多余的能量储存在储能模块中；

10、当输入电压值高于设定阈值时，第四号能量管理芯片正常工作，产生高电平切断第三号能量管理芯片，降低功耗；同时为负载供电，并将多余的能量储存在储能模块中；

11、当输入电压值低于设定阈值时，第三号能量管理芯片正常工作，第四号能量管理芯片无法工作，无法将能量提供给负载，储能模块储存的一部分能量与电路采集的能量一并转化为特定电压值，保证负载的正常工作；

12、所述储能模块输入/输出端连接dc-dc能量管理模块的储能接口引脚，用于在电路采集能量充足时，将电路采集的多余能量储存在储能元件里；在电路采集能量不足时，将储能元件里的储存能量提供给dc-dc能量管理模块；

13、所述输出模块输入端连接dc-dc能量管理模块输出端，用于将dc-dc能量管理模块输出的特定电压、电流信号稳定地提供给负载。

14、进一步地，所述dc-dc能量管理模块包括第三号能量管理芯片u3、多功能第四号能量管理芯片u4、第一号变压器t1、第一号二极管d1、第三号mos管q3、第二号电感l2、第三号电感l3、第三号电容c3、第四号电容c4、第五号电容c5、第六号电容c6、第七号电容c7、第八号电容c8、第九号电容c9、第十一号电容c11、第六号电阻r6、第七号电阻r7、第八号电阻r8、第九号电阻r9、第十号电阻r10、第十一号电阻r11、第十二号电阻r12、第十三号电阻r13；

15、所述第一号变压器t1的1端、第六号电容c6的1端分别连接第二号电感l2的1端作为dc-dc能量管理模块的输入端连接boost电路模块的输出端；所述第三号电容c3的1端、第四号电容c4的1端分别连接第一号变压器t1的4端；所述第一号变压器t1的3端接地；所述第一号变压器t1的2端连接第三号能量管理芯片u3的引脚15，用于引起振荡使得第一号变压器t1能够正常工作；所述第三号能量管理芯片u3的引脚13连接第四号电容c4的2端；所述第三号电容c3的2端、第一号二极管d1的1端分别连接第三号能量管理芯片u3的引脚14；

16、所述第一号二极管d1的2端连接第三号mos管q3的d端；所述第六号电阻r6的2端、第三号mos管q3的s端分别接地；所述第三号mos管q3的g端与所述第六号电阻r6的1端分别连接第四号能量管理芯片u4的引脚13；

17、所述第五号电容c5的1端、第三号能量管理芯片u3的2引脚和3引脚分别连接第三号能量管理芯片u3的10引脚；所述第三号能量管理芯片u3的1引脚、8引脚、9引脚、16引脚、以及第五号电容c5的2端均接地；所述第三号能量管理芯片u3的4引脚、第八号电容c8的2端、第九号电容c9的2端、第十一号电容c11的1端、第四号能量管理芯片u4的3引脚和6引脚分别连接第四号能量管理芯片u4的19引脚；

18、所述第六号电容c6的2端、第七号电容c7的2端分别连接第四号能量管理芯片u4的5引脚并接地；所述第七号电容c5的1端连接第四号能量管理芯片u4的4引脚；

19、所述第八号电阻r8的1端、第十一号电阻r11的1端、第十三号电阻r13的1端分别连接第四号能量管理芯片u4的8引脚；所述第七号电阻r7的1端、第八号电阻r8的2端分别连接第四号能量管理芯片u4的引脚7；所述第十号电阻r10的1端、第十一号电阻r11的2端分别连接能量管理芯片u4的10引脚；所述第十号电阻r10的2端、第九号电阻r9的1端分别连接第四号能量管理芯片u4的11引脚；所述第十二号电阻r12的1端、第十三号电阻r13的2端分别连接第四号能量管理芯片u4的12引脚；所述第七号电阻r7的2端、第九号电阻r9的2端、第十二号电阻r12的2端分别接地；

20、所述第四号能量管理芯片u4的20引脚连接第二号电感l2的2端；所述第四号能量管理芯片u4的18引脚连接储能模块6输入/输出端作为dc-dc能量管理模块的多余能量输出；

21、所述第三号电感l3的1端连接第四号能量管理芯片u4的16引脚；所述第三号电感l3的2端与第四号能量管理芯片u4的14引脚连接储能模块输入/输出端作为dc-dc能量管理模块的多余能量输出。

22、更进一步地，所述电压电流检测模块包括第一号放大器u1、第二号放大器u2、第一号电阻r1和第二号电阻r2，所述第一号放大器u1的3引脚、第二号放大器u2的1引脚和8引脚分别作为电压电流检测模块输入端连接输入模块输出端；所述第一号电阻r1的1端、第二号电阻r2的2端分别连接第一号放大器u1的4引脚；所述第一号放大器u1的5引脚、第二号放大器u2的5引脚分别连接5v电压源作为电压电流检测模块2的电源；所述第二号电阻r2的1端连接第一号放大器u1的1引脚，与第二号放大器u2的4引脚共同作为电压电流检测模块的输出端连接mcu控制模块的输入端；所述第二号放大器u2的7引脚连接-5v电压源；所述第二号放大器u2的2引脚和3引脚分别连接5v电压源以调节放大倍数为100倍；所述第一号放大器u1的2引脚、第一号电阻r1的2端、第二号放大器u2的6引脚均接地。

23、更进一步地，所述mcu控制模块包括超低功耗的主控芯片，所述主控芯片的2引脚和4引脚分别连接电压电流检测模块所测的电压值和电流值作为输入端，所述主控芯片的9引脚和12引脚分别连接boost电路模块的两个被控mos管作为输出端，所述主控芯片的1引脚连接dc-dc能量管理模块输出端作为mcu控制模块的电源，所述主控芯片的20引脚接地。

24、更进一步地，所述boost电路模块包括第一号电感l1、第四号电阻r4、第五号电阻r5、第二号电容c2、第一号mos管q1、以及第二号mos管q2，所述第一号电感l1的1端作为boost电路模块输入端连接输入模块的输出端；所述第一号mos管q1的d端、第二号mos管q2的d端分别连接所述第一号电感l1的2端；所述第四号电阻r4的1端连接第二号mos管q2的g端，所述第五号电阻r5的1端连接第一号mos管q1的g端，同时第一号mos管q1和第二号mos管q2分别作为被控元件连接mcu控制模块的输出端；所述第二号mos管q2的s端、第四号电阻r4的2端均连接所述第二号电容c2的2端并接地；所述第一号mos管q1的s端、第五号电阻r5的2端分别连接第二号电容c2的1端且连接端作为boost电路模块的输出端。

25、更进一步地，所述输入模块包括第三号电阻r3、第一号电容c1和输入端子in，所述第三号电阻r3的1端与第一号电容c1的1端分别连接输出端子in的1端作为电压检测的来源和电流检测的第一端来源；所述第三号电阻r3的2端作为电流检测的第二端来源，并作为输入模块的输出端连接boost电路模块的输入端；所述第一号电容c1的2端、所述输入端子in的2端分别接地，用于抑制干扰信号。

26、更进一步地，所述第一号电容c1为高频、低损耗电容；所述第一号放大器u1、第二号放大器u2均为高度集成、低功耗的高品质放大器；所述mcu控制模块的主控芯片为msp430g2553，msp430g2553的电源电压低至1.8v，运行模式、以及待机模式下的电流分别低至230μa、以及0.5μa；所述第一号mos管q1、第二号mos管q2的型号均为si2302a，所述si2302a为低功耗、高频率的高性能n通道mos管；所述第三号mos管q3的型号为2sk3615；所述第三号能量管理芯片型号为ltc3108，所述第四号能量管理芯片型号为bq25570。

27、进一步地，所述储能模块包括能量储存元件bat，所述能量储存元件bat的1端连接所述第四号能量管理芯片u4的8引脚1且连接端作为储能模块的输入/输出端；所述能量储存元件bat的2端接地。

28、更进一步地，所述能量储存元件bat为薄膜电池、超级电容器、可再充电锂电池中的一种。

29、进一步地，所述输出模块包括第十号电容c10和输出接口端子road，所述第十号电容c10的1端连接输出接口端子road的1、2端且连接端作为输出模块的输入端连接dc-dc能量管理模块的输出端，所述第十号电容c10的2端接地，所述输出接口端子road的3、4端接地。

30、本发明的优点在于：

31、1、本发明专门用于低压微弱能量采集，启动电压较低，能够持续不断采集、管理多种环境能量，为低功耗小型电子设备供电；

32、2、本发明通过前置电路控制整个采集电路的阻抗与能量采集器的内阻相匹配，即最大功率追踪技术，无论电路系统中的负载内阻发生变化还是能量采集器的内阻因为环境原因发生变化，该电路都能够最大功率追踪实现阻抗匹配，提升整个采集电路收集能量的效率；

33、3、本发明为了降低本应用中各电子器件的能量损耗，采用了超低功耗、高度集成的能量管理芯片，根据获取的能量值大小在启动电压较高和启动电压较低的两个能量管理芯片之间通断，更好地降低采集电路的功耗，不仅将多余的能量储存在储能模块中，还能够将储能模块储存的一部分能量与电路采集的能量一并转化为特定电压值，保证负载的正常工作；

34、4、本发明所选择的二极管与电容均具有超低损耗的特性，并且采用了封装具有最小寄生电感特性的高频电感，最大限度地降低了原有电路的功耗，提高了整个系统的能量利用率；

35、本发明带有最大功率追踪的低压能量采集电路，专门用于低压微弱能量采集，启动电压较低，无论电路系统中的负载内阻发生变化还是能量采集器的内阻因为环境原因发生变化，该电路都能够最大功率追踪实现阻抗匹配，提升整个采集电路收集能量的效率；同时采用超低功耗、高度集成的能量管理芯片，根据获取的能量值大小执行不同的管理策略，最大限度地降低采集电路的功耗，不仅提高整个系统的能量利用率，而且保证负载的正常工作。