专利名称：一种压电发电低功耗电源系统及其供电方法
技术领域：
本发明属于一种压电发电超低功耗供电技术，更具体地说，本发明涉及一种压电 发电低功耗电源系统及其供电方法，利用压电陶瓷与弹性体连接构成的复合压电振子将机 械能转换为电能，由超低功耗元件构建的整流电路、DC-DC电路、能量存储电路，来实现电力 供应的电源系统及供电方法。
背景技术：
目前，在许多设备中，一般使用电池作为电源，这给人们的生活带来了许多便利， 但同时也存在一些问题。首先，传统的电池体积大，使用寿命短；其次，当电池电量不足时， 更换电池让许多系统临时断电。而且，电池含有重金属，若废旧电池处理不当会引起严重的 环境污染。车辆行驶、机器运转、人的行走等有大量的振动能量没有在系统加以利用，造成 资源的浪费。在现有的无线传感器网络应用中，一般还存在系统的功耗都较大、电力供应不 稳定等问题。因此，收集振动能量并将其高效转换为电能，应用超低功耗技术，并进而替换 现在无线传感器网络等普遍使用的普通电池，以实现系统低功耗自供电，是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可将机械能转化为电 能，并通过实时监控电压，进行电压调节、能量存储、超低功耗转换，使得电力供应持续稳定 的压电发电低功耗电源系统。本发明的另一目的在于提供一种实现上述系统的供电方法。本发明的目的通过下述技术方案实现一种压电发电低功耗电源系统，包括压电转换装置、整流电路、DC-DC电路、能量存 储电路、控制器和应用电路，所述压电转换装置的输出端与整流电路的输入端连接，所述整 流电路的输出端与DC-DC电路的输入端连接，所述DC-DC电路的输出端与能量存储电路的 输入端连接，所述能量存储电路的输出端与应用电路连接；所述控制器设有第一输入端、第 二输入端、第一输出端和第二输出端，其第一输入端和第二输入端分别连接整流电路的输 出端、能量存储电路的输出端，其第一输出端、第二输出端分别连接DC-DC电路的输入端和 应用电路。所述压电转换装置为压电陶瓷与弹性体连接构成的复合压电振子，所述复合压电 振子为矩形、圆形或钹盖形结构，复合压电振子上设有两极输出线，两极输出线与整流电路 的输入端连接。所述整流电路包括由四个二极管构成的桥式整流器、稳压二极管、滤波电容和初 级存储电容，所述桥式整流器、稳压二极管、滤波电容和初级存储电容依次并联连接；所述 桥式整流器上设有两极输入线，桥式整流器的两极输入线与压电转换装置的两极输出线连 接；所述初级存储电容的两端分别与DC-DC电路的输入端连接，且与控制器的第一输入端 连接。
所述滤波电容和初级存储电容均为电解电容，所述滤波电容的电容量小于初级存 储电容的电容量；控制器的第一输入端与初级存储电容的两端之间还分别连接有电阻。所述DC-DC电路包括集成芯片、续流二极管和输出滤波器；所述集成芯片包括第 一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其第一输入端和第二输入端分别连接整流电 路的输出端，其第三输入端连接控制器的第一输出端；所述续流二极管的两端分别与集成 芯片的输出端和第二输入端连接；且续流二极管的两端同时连接输出滤波器的输入端；所 述输出滤波器的输出端与能量存储电路的输入端连接。所述输出滤波器由电感与电容串联构成，所述续流二极管一端连接电感，另一端 连接电容；电容的两端为输出滤波器的输出端，且均连接能量存储电路的输入端。所述能量存储电路包括能量存储介质、电压调节器和电阻分压器，所述能量存储 介质的两端与DC-DC电路的输出端连接，并与控制器的第二输入端连接；所述电压调节器 的输入端与能量存储介质的正极连接，其输出端分别与控制器的第二输出端和应用电路连 接；电阻分压器与电压调节器并联连接。所述电阻分压器由两个串联的电阻构成，其中一个电阻并联接在电压调节器的输 入端上，另一个电阻的其中一端接在电压调节器的输入端上，另一端接地。所述能量存储介质为可充电电池，或为可充电电池与电容构成的并联电路，且可 充电电池与电之间还连接一个压降为0. 3V的二极管，以防止电流倒流；可充电电池的两端 与控制器的第二输入端之间还连接有电阻。上述系统的供电方法，具体包括如下步骤(1)压电转换装置输入激励，通过压电效应产生交流电压，交流电压经两极输出线 传递给整流电路；(2)整流电路中，桥式整流器将交流电压转换为直流电压，稳压二极管将转换而来 的直流电压稳定在一定值，通过滤波电容进行滤波，并存储在初级存储电容中；(3)控制器对初级存储电容的电压进行监控，若初级存储电容的电压达到4. 5V以 上，控制器输出控制信号至DC-DC电路，开启DC-DC电路，并输出持续稳定直流电压，将该电 能输入到能量存储电路中，并由能量存储电路经电压调节器调节后，供电给控制器和应用 电路使用；若初级存储电容的电压低至3V时，控制器由第一输出端发送控制信号至DC-DC 电路，关闭DC-DC电路及能量存储电路，应用电路由控制器供电；(4)控制器对能量存储电路的电压进行监控，若能量存储电路中的电压低于3v， 则控制器发送信号，关闭DC-DC电路及能量存储电路，应用电路由控制器供电；若能量存储 电路中的电压高于4. 5v，则控制器发送信号，关闭DC-DC电路及能量存储电路，由能量存储 电路给应用电路供电使用。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果1、本发明的系统利用压电陶瓷的压电效应将机械能转化为电能，通过压电发电装 置，回收振动能量为微功率电子设备供电，具有发电效率高、节能、环保等优点。2、本发明的系统可实现超低功耗的供电，即通过控制器对能量存储电路的电压进 行监控，当能量存储电路有足够的电能时，控制器和应用电路开启，由能量存储电路给应用 电路供电；而当能量存储电路能量不足时，关闭DC-DC电路、控制器和应用电路，应用电路 由控制器供电，使系统进入低功耗模式，以降低系统功耗。
3、本发明的系统可实现持续稳定的自供电，即通过电压调节器将能量存储介质的 输出电压调节为3v，为整个系统供电。当能量存储电路的电量低时，调整系统工作方法(如 系统开启频率等)，进入低功耗模式(即由控制器给应用电路供电)，可保证系统持续稳定 工作。4、本发明的系统所有电器元件如电压调节器、控制器、DC-DC电路中的集成芯片等 均采用超低功耗型的，以降低系统功耗。5、本发明的方法将振动的能量转化为电能收集起来，整个系统不需外接电源可实 现自供电，具有功耗低、能量转换效率高等优点。
图1是本发明的总体结构示意图。图2是图1所示的具体结构示意图。图3是图2所示整流电路的结构示意图。图4是图2所示DC-DC电路的结构示意图。图5是图2所示控制器的结构示意图。图6是图2所示能量存储电路的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。实施例图1 6示出了本实施例的具体结构图，如图1所示，本压电发电低功耗电源系 统，包括压电转换装置、整流电路、DC-DC电路、能量存储电路、控制器和应用电路，如图2 6所示，所述压电转换装置的输出端与整流电路的输入端1、2连接，所述整流电路的输出端 3、4与DC-DC电路的输入端5、6连接，所述DC-DC电路的输出端7、8与能量存储电路的输 入端15、16连接，所述能量存储电路的输出端17与应用电路连接；如图5所示，所述控制器 设有第一输入端9、10、第二输入端11、第一输出端12和第二输出端13，其第一输入端9、10 和第二输入端11分别连接整流电路的输出端3、4、能量存储电路的输出端17，其第一输出 端12、第二输出端13分别连接DC-DC电路的输入端5、6和应用电路。所述压电转换装置为压电陶瓷与弹性体连接构成的复合压电振子，所述复合压电 振子为矩形、圆形或钹盖形结构，复合压电振子上设有两极输出线，两极输出线与整流电路 的输入端1、2连接。如图3所示，所述整流电路包括由四个二极管构成的桥式整流器、稳压二极管D1、 滤波电容Cl和初级存储电容C2，所述桥式整流器、稳压二极管Dl、滤波电容Cl和初级存储 电容C2依次并联连接；所述桥式整流器上设有两极输入线1、2，桥式整流器的两极输入线 1、2与压电转换装置的两极输出线连接；所述初级存储电容C2的两端3、4分别与DC-DC电 路的输入端5、6连接，且与控制器的第一输入端9、10连接。所述滤波电容Cl和初级存储电容C2均为电解电容，所述滤波电容Cl的电容量小于初级存储电容C2的电容量；控制器的第一输入端9、10与初级存储电容C2的两端3、4之间还分别连接有电阻R5、R6。 如图4所示，所述DC-DC电路包括集成芯片、续流二极管D2和输出滤波器；所述集 成芯片包括第一输入端5、第二输入端6、第三输入端18和输出端，其第一输入端5和第二 输入端6分别连接整流电路的输出端3、4，其第三输入端18连接控制器的第一输出端12 ； 所述续流二极管D2的两端分别与集成芯片的输出端和第二输入端6连接；且续流二极管 D2的两端同时连接输出滤波器的输入端；所述输出滤波器的输出端7、8与能量存储电路的 输入端15、16连接。所述输出滤波器由电感L2与电容C3串联构成，所述续流二极管D2 —端连接电感 L2，另一端连接电容C3;电容C3的两端为输出滤波器的输出端7、8，且均连接能量存储电路 的输入端15、16。如图6所示，所述能量存储电路包括能量存储介质、电压调节器和电阻分压器，所 述能量存储介质的两端15、16与DC-DC电路的输出端7、8连接，并与控制器的第二输入端 11连接；所述电压调节器的输入端与能量存储介质的正极连接，其输出端17分别与控制器 的第二输出端13和应用电路连接；电阻分压器与电压调节器并联连接。电阻分压器由两个串联的电阻构成，其中一个电阻R2并联接在电压调节器的输 入端上，另一个电阻Rl的其中一端接在电压调节器的输入端上，另一端接地。所述能量存储介质为可充电电池与电容C4构成的并联电路，且可充电电池与电 容C4之间还连接一个压降为0. 3V的二极管D3，以防止电流倒流；可充电电池的两端与控 制器的第二输入端11之间还连接有电阻R3、R4。上述系统的供电方法，具体包括如下步骤(1)压电转换装置输入激励，通过压电效应产生交流电压，交流电压经两极输出线 传递给整流电路；(2)整流电路中，桥式整流器将交流电压转换为直流电压，稳压二极管将转换而来 的直流电压稳定在一定值，通过滤波电容进行滤波，并存储在初级存储电容中；(3)控制器对初级存储电容的电压进行监控，若初级存储电容的电压达到4. 5V以 上，控制器输出控制信号至DC-DC电路，开启DC-DC电路，并输出持续稳定直流电压，将该电 能输入到能量存储电路中，并由能量存储电路经电压调节器调节后，供电给控制器和应用 电路使用；若初级存储电容的电压低至3V时，控制器由第一输出端发送控制信号至DC-DC 电路，关闭DC-DC电路及能量存储电路，应用电路由控制器供电；(4)控制器对能量存储电路的电压进行监控，若能量存储电路中的电压低于3v， 则控制器发送信号，关闭DC-DC电路及能量存储电路，应用电路由控制器供电；若能量存储 电路中的电压高于4. 5v，则控制器发送信号，关闭DC-DC电路及能量存储电路，由能量存储 电路给应用电路供电使用。实施例2本实施例除下述特征外其他结构同实施例1 所述能量存储介质仅为可充电电 池。上述各实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例 的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简 化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种压电发电低功耗电源系统，其特征在于包括压电转换装置、整流电路、DC-DC电路、能量存储电路、控制器和应用电路，所述压电转换装置的输出端与整流电路的输入端连接，所述整流电路的输出端与DC-DC电路的输入端连接，所述DC-DC电路的输出端与能量存储电路的输入端连接，所述能量存储电路的输出端与应用电路连接；所述控制器设有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其第一输入端和第二输入端分别连接整流电路的输出端、能量存储电路的输出端，其第一输出端、第二输出端分别连接DC-DC电路的输入端和应用电路。
2.根据权利要求1所述的压电发电低功耗电源系统，其特征在于所述压电转换装置 为压电陶瓷与弹性体连接构成的复合压电振子，所述复合压电振子为矩形、圆形或钹盖形 结构，复合压电振子上设有两极输出线，两极输出线与整流电路的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的压电发电低功耗电源系统，其特征在于所述整流电路包括由四个二极管构成的桥式整流器、稳压二极管、滤波电容和初级存 储电 容，所述桥式整流器、稳压二极管、滤波电容和初级存储电容依次并联连接；所述桥式 整流器上设有两极输入线，桥式整流器的两极输入线与压电转换装置的两极输出线连接； 所述初级存储电容的两端分别与DC-DC电路的输入端连接，且与控制器的第一输入端连 接。
4.根据权利要求3所述的压电发电低功耗电源系统，其特征在于所述滤波电容和初 级存储电容均为电解电容，所述滤波电容的电容量小于初级存储电容的电容量；控制器的 第一输入端与初级存储电容的两端之间还分别连接有电阻。
5.根据权利要求1所述的压电发电低功耗电源系统，其特征在于所述DC-DC电路包 括集成芯片、续流二极管和输出滤波器；所述集成芯片包括第一输入端、第二输入端、第三 输入端和输出端，其第一输入端和第二输入端分别连接整流电路的输出端，其第三输入端 连接控制器的第一输出端；所述续流二极管的两端分别与集成芯片的输出端和第二输入端 连接；且续流二极管的两端同时连接输出滤波器的输入端；所述输出滤波器的输出端与能 量存储电路的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的压电发电低功耗电源系统，其特征在于所述输出滤波器由 电感与电容串联构成，所述续流二极管一端连接电感，另一端连接电容；电容的两端为输出 滤波器的输出端，且均连接能量存储电路的输入端。
7.根据权利要求1所述的压电发电低功耗电源系统，其特征在于所述能量存储电路 包括能量存储介质、电压调节器和电阻分压器，所述能量存储介质的两端与DC-DC电路的 输出端连接，并与控制器的第二输入端连接；所述电压调节器的输入端与能量存储介质的 正极连接，其输出端分别与控制器的第二输出端和应用电路连接；电阻分压器与电压调节 器并联连接。
8.根据权利要求7所述的压电发电低功耗电源系统，其特征在于所述电阻分压器由 两个串联的电阻构成，其中一个电阻并联接在电压调节器的输入端上，另一个电阻的其中 一端接在电压调节器的输入端上，另一端接地。
9.根据权利要求7所述的压电发电低功耗电源系统，其特征在于所述能量存储介质 为可充电电池，或为可充电电池与电容构成的并联电路，且可充电电池与电之间还连接一 个压降为0. 3V的二极管，以防止电流倒流；可充电电池的两端与控制器的第二输入端之间还连接有电阻。
10.权利要求1 9任一项所述系统的供电方法，其特征在于具体包括如下步骤(1)压电转换装置输入激励，通过压电效应产生交流电压，交流电压经两极输出线传递 给整流电路； (2)整流电路中，桥式整流器将交流电压转换为直流电压，稳压二极管将转换而来的直 流电压稳定在一定值，通过滤波电容进行滤波，并存储在初级存储电容中；(3)控制器对初级存储电容的电压进行监控，若初级存储电容的电压达到4.5V以上， 控制器输出控制信号至DC-DC电路，开启DC-DC电路，并输出持续稳定直流电压，将该电能 输入到能量存储电路中，并由能量存储电路经电压调节器调节后，供电给控制器和应用电 路使用；若初级存储电容的电压低至3V时，控制器由第一输出端发送控制信号至DC-DC电 路，关闭DC-DC电路及能量存储电路，应用电路由控制器供电；(4)控制器对能量存储电路的电压进行监控，若能量存储电路中的电压低于3v，则控 制器发送信号，关闭DC-DC电路及能量存储电路，应用电路由控制器供电；若能量存储电路 中的电压高于4. 5v，则控制器发送信号，关闭DC-DC电路及能量存储电路，由能量存储电路 给应用电路供电使用。
全文摘要
本发明提供了一种压电发电低功耗电源系统，包括压电转换装置、整流电路、DC-DC电路、能量存储电路、控制器和应用电路，压电转换装置的输出端与整流电路的输入端连接，整流电路的输出端与DC-DC电路的输入端连接，DC-DC电路的输出端与能量存储电路的输入端连接，能量存储电路的输出端与应用电路连接；控制器设有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端和第二输入端分别连接整流电路的输出端、能量存储电路的输出端，第一输出端、第二输出端分别连接DC-DC电路的输入端和应用电路。本发明还提供了上述系统的供电方法。本发明具有可持续稳定供应电力、发电效率高、系统功耗低、能量转换效率高等优点。
文档编号H02N2/18GK101841254SQ20101012248
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者刘旭, 张铁民, 杨秀丽 申请人:华南农业大学