电力采集装置制造方法
【专利摘要】本技术被描述为从一单一载流导体采集电力以提供电力到用电设备。本技术采用了耦接到导体的电力采集装置。在实施例中，导体具有第一通路和第二通路。电力采集装置包括耦接到第二通路的第一开关。能量储存元件耦接到第一通路，并被配置成以基于流过第一通路的直流电流储存能量。电力采集装置还包括耦接到能量储存元件的电力状况和管理装置，其配置为当能量储存元件被测量为具有一预定高压阈值时切换第一开关为闭合配置，以及当能量储存元件被测量为具有一预定低压阈值时切换第一开关为打开配置。
【专利说明】电力采集装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力采集装置。
【背景技术】
[0002]提供电能给远程的或不常访问的电气或电子设备经常是必需的。然而，在许多情况下，传输电能给这些设备所需的基础设施是不可用的成者安装起来过于昂贵。例如，监控光伏(PV)太阳能装置的系统采用监控该装置的光伏模块并传送描述模块的运行信息到中央网关的传感器，其中信息在中央网关中被收集以待处理。这些监控系统日益采用无线传感器网络(WSN)配置，其中传感器与发射机一起被提供以通过发送到网关(例如，发送到耦接到网关的接收机)的无线信号传送信息。由于与一些光伏太阳能装置的尺寸相比发射机具有有限的范围，因此监控系统可进一步采用收发器以重新生成和转发无线信号。然而，提供电能以为收发器供电增加了光伏太阳能装置的基础设施，其可位于偏远地区，从而不常被访问，使得这样的基础设施的增加造价昂贵。
【发明内容】
[0003]本发明描述了从单一导体(例如，输送直流电流或交流电流的电线)采集电力以提供电力到用电设备，例如传感器，发射机，收发器，电动机，开关，它们的组合，等等。技术采用了耦接到导体的电力采集装置。在一个或更多实施例中，导体具有第一通路和第二通路。电力采集装置包括耦接到第二通路的第一开关，并具有打开配置和闭合配置。能量储存元件耦接到第一通路，并被配置成以基于流过第一通路的直流电流储存能量。电力采集装置还包括耦接到能量储存元件的电力状况和管理装置。电力状况和管理装置被配置成以当能量储存元件被测量为具有一预定高电压阈值时切换第一开关为闭合配置，以及当能量储存元件被测量为具有一预定低电压阈值时切换第一开关为打开配置。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]详细的说明书参考附图而被描述。在说明书和附图中不同实例中的相同附图标记的使用可表示相似或相同项。
[0005]图1为示出了根据本发明披露的一个示例实施例的电力采集装置的示意图；
[0006]图2为图1中示出的电力采集装置的一个示例实施例的示意图，其中电力采集装置包括耗尽型器件和增强型器件；
[0007]图3为图1中示出的电力采集装置的一个示例实施例的示意图，其中电力采集装置包括二极管和增强型器件；
[0008]图4A为示出了根据本发明披露的另一示例实施例的另一电力采集装置的示意图；
[0009]图4B为示出了图4A中示出的电力采集装置的一个示例实施例的电路图；
[0010]图5A为示出了根据本发明披露的另一示例实施例的另一电力采集装置的示意图；
[0011]图5B为示出了图5A中示出的电力采集装置的一个示例实施例的电路图。
【具体实施方式】
[0012]鐘述
[0013]在很多情况下，希望从主机系统采集直流(DC)功率或交流(AC)功率，以为靠近主机系统的辅助电气或电子设备供电。例如，电子元件，例如用于监控光伏太阳能装置的运行的监控系统中的传感器，发射机，收发器，等等，可从装置中的光伏模块采集电能。然而，通过光伏模块提供被供给直流电流的正负导体(电线)间的连接是困难的。因为由光伏摸块供给的直流电流通常为高电压，因此会要求从高电压到低电压的转换。此外，正负导体(电线)常常不是成对工作，使得连接不能实施或不能实现。
[0014]从而，电力采集装置被描述。该电力采集装置被配置成以从一单一导体(例如，输送直流电流或交流电流的电线)采集电力以提供电力到电气或电子设备，例如传感器，发射机，收发器，电动机，开关，等等(以下称“用电设备”)。在一个或更多实施例中，导体具有第一通路和第二通路。电力采集装置包括耦接到第二通路的第一开关，并具有打开配置和闭合配置。例如，第一开关可以为增强型晶体管器件，或类似物。能量储存元件，例如电容器，被耦接到第一通路，并被配置成以基于流过第一通路的直流电流储存能量。电力采集装置还包括耦接到能量储存元件的电力状况和管理装置。电力状况和管理装置被配置成以当能量储存元件被测量为具有一预定高电压阈值时切换第一开关为闭合配置，以及当能量储存元件被测量为具有一预定低电压阈值时切换第一开关为打开配置。在一个或更多实施例中，电力状况和管理装置包括开关模式电源(例如，升压转换器(boost converter)),其被配置为生成高于供给的直流输入电压的输出直流电压。输出直流电压被用于为用电设备供电。在一个或更多实施例中，二极管，例如肖特基(schottky) 二极管，可被置于能量储存元件之前以将交流电流整流为直流电流，从而基于整流的直流电流在能量储存元件上生成电压。
[0015]用电设备可包括收发器，其被配置成以传送无线信号和/或接收无线信号。在一个或更多实施例中，收发器可为符合IEEE802.15.4-2006标准的低功率收发器。传感器可与收发器通信。传感器可被配置成以测量一个或更多系统特征，并提供代表该特征的电信号给收发器用于信号传输。例如，传感器可测量光伏(PV)模块效率，数据中心温度，等等。
[0016]因此，电力采集装置不要求正负导体间的连接，由于导体的分离这会是不能实施或不能实现的。此外，由于装置不穿过正负导体连接，因此装置也就不要求从高压到低压的转换。因此，电力采集装置便于沿直流导体选择性地安置用电设备。
[0017]示例的由力采集装置
[0018]图1示出了根据本发明披露的一个示例实施例的电力采集装置100。如图所示，电力采集装置100可操作以从单向配置的载流导体102采集电力。载流导体102输送由电源103 (例如，直流电源或交流电源)提供的直流电流或交流电流。导体102可被以各种方式配置。例如，导体102可为绝缘的单一电线或电缆。然而，可以预期的是导体可为能够输送直流电流的任意传导体。
[0019]如图1中所示，采集装置100包括第一开关104和第二开关106。在一个或更多实施例中，第一和第二开关104，106可以是晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)，绝缘栅双极晶体管，机中继电器，以及类似物。开关104，106具有打开配置(例如，开路以阻止电流流动)和闭合配置(例如，闭合电路以允许电流流动)。第一开关104被配置为当第二开关106在打开配置时处于闭合配置，反之亦然。如图1中所示，第一开关104被连接到导体102的第一通路102A，并且第二开关106被连接到导体102的第二通路102B。开关104，106的配置由本文描述的电力状况和管理装置108控制。例如，电力状况和管理装置108提供合适的电压电平给开关104，106，从而使得开关104，106处于所需的配置(例如，打开配置，闭合酉己置)。
[0020]如图1中所示，电力状况和管理装置108包括开关模式电源110。开关模式电源110可以各种方式配置。例如，电源110可以为升压转换器，或类似物。电源110被配置成以提供输出直流电压，其高于供给电源110的直流输入电压。输入电压和输出电压取决于电力采集装置100的特定改计要求而可变。
[0021]电力状况和管理装置108可进一步包括处理设备，例如微处理器112，以提供电压检测功能，并从功能上控制开关。微处理器112被配置来(例如，包括电子电路，其被配置以)检测装置108上的直流输入电压。微处理器112还被配置作为检测的(例如，测量的)直流输入电压的函数来控制开关104，106的配置。例如，当检测到一预定高电压阈值时，微处理器112可提供一个打开配置信号(例如，电压信号，等等)给第一开关104和提供一个闭合配置信号(例如，电压信号，等等)给第二开关106。在一个或更多实施例中，预定高电压阈值可为允许电力状况和管理装置108的充分运行所要求的电压的大约百分之九十(90% )。相反的，当检测到一预定低电压阈值时，微处理器112可提供一个闭合配置信号给第一开关104和提供一个打开配置信号给第二开关106。在一个或更多实施例中，预定低电压阈值可为允许电力状况和管理装置108的充分运行所要求的电压的大约百分之五十(50%)。然而，取决于特定的应用设计要求，可以使用其他预定的高低阈值。此外，预定的高低阈值可基于与电力状况和管理装置108相联系的硬件要求而被选择，等等。
[0022]如图1中所示，能量储存元件114与电力状况和管理装置108电通信。能量储存元件114可以各种方式配置。例如，能量储存元件114可为电容器，电感器，或能够储存能量的任何其他元件。在一个实施例中，当第一开关104处于闭合配置时，储存元件114由于流过第一开关104的电流储能。当第一开关104处于打开配置时，电流流经第二开关106，并允许储存元件114释放能量。在一个或更多实施例中，储存元件114上的电压被提供给电力状况和管理装置108作为开关模式电源110的直流输入电压。如上所述，电源110被配置为生成高于直流输入电压的直流输出电压。输出电压随后被用来至少部分地为微处理器112和与采集装置100相连接的其他用电设备供电。
[0023]如上所述，电力采集装置100被配置成以从载流导体(例如，导体102)采集能量。第一开关104初始处于闭合配置，由于允许电流至少大部分流经第一开关104和第一通路102A，从而允许能量储存元件114储存能量(例如，在电容器的例子中为电荷，等等)。此夕卜，第二开关106初始处于打开配置，以阻止至少大部分电流流经开关106，并因此阻止至少大部分电流流经第二通路102B。一旦在储存元件114上检测到(例如，通过电力状况和管理装置108)预定的高输入电压阈值，装置108提供一个打开信号给第一开关104以切换到打开配置，以及提供一个闭合信号给第二开关106以切换到闭合配置。该开关配置允许电流流经第二开关106，并阻止电流流经第一开关104。一旦在储存元件114上检测到预定的低输入电压阈值，装置108提供闭合信号给第一开关104以切换到闭合配置，以及提供打开信号给第二开关106以切换到打开配置。电流随后流经第一开关104以给能量储存元件114再次充电至预定高电压阈值。
[0024]如图1中所示，电力采集装置100还被连接到负载109。可以预期负载109可包括任意传统的负载元件。例如，负载109可包括电容性负载，电抗性负载，电阻性负载，电感性负载，它们的组合，或者类似物。
[0025]图2示出了电力采集装置100的一个可能的实施例。如图所示，第一开关104包括耗尽型MOSFET器件116，并且第二开关106包括增强型MOSFET器件118。耗尽型MOSFET器件116被配置成使得即使零电压施加在器件116的栅源极上导通通道也存在(例如，闭合配置)。因此，耗尽型器件116是典型可操作的，直至足够的电压被施加以耗尽阻止电流流动(例如，打开配置)的通道。增强型器件118最初没有导通通道(例如，打开配置)。当足够的电压(例如，高于阈值电压(“Vt))被施加在器件118的栅源极间时，在增强型MOSFET器件118中产生导通通道(例如，闭合配置)。可以预期MOSFET器件118为η型MOSFET器件或P型MOSFET器件。
[0026]如图所示，能量储存元件114包括电容器120，其设置在电力状况和管理装置108的第一端122和第二端124之间。电容器120可以各种方式配置。例如，电容器120可被配置成以储存电荷，从而电容器120的电压可为至少约3.3V。在另一示例中，电容器120可被配置成以储存电荷，从而电容器120的电压约为5V。电容器120的值根据储能量和根据设计的操作电压由以下等式确定:
[0027]
【权利要求】
1.一种电力采集装置，包括: 配置为输送电流的导体，该导体具有第一通路和第二通路； 耦接到所述第一通路的能量储存元件，该能量储存元件配置为基于流过所述第一通路的电流储存能量； 耦接到所述导体的第二通路的第一开关，该第一开关具有打开配置和闭合配置； 耦接到所述能量储存元件的电力状况和管理装置，该电力状况和管理装置被配置为当所述能量储存元件被测量为具有高于预定高压阈值的电压时切换所述第一开关到闭合配置，以及当所述能量储存元件被测量为具有低于预定低压阈值的电压时切换所述第一开关到打开配置； 所述电流被配置为当所述第一开关处于允许所述能量储存元件释放储存的能量的闭合配置时至少基本流过所述第二通路以及被配置为当所述第一开关处于允许所述能量储存元件储存能量的打开配置时至少基本流过所述第一通路。
2.如权利要求1所述的电力采集装置，其中所述电力状况和管理装置包括微处理器，该微处理器被配置成测量预定高阈值电压和预定低阈值电压，以及控制所述第一开关，使得所述第一开关在所述能量储存元件被测量为具有高于预定低压阈值的电压时切换到所述打开配置以及当所述能量储存元件被测量为具有低于预定高压阈值的电压时切换到所述闭合配置。
3.如权利要求2所述的电力采集装置，其中所述电力状况和管理装置包括开关模式电源，该开关模式电源被配置为基于所述能量储存元件上的电压接收输入直流电压，所述电力状况和管理装置被配置成以提供高于所述输入直流电压的输出直流电压。
4.如权利要求1所述的电力采集装置，进一步包括耦接到所述导体的第一通路的第二开关，所述第一开关具有打开配置和闭合配置，其中所述电力状况和管理装置进一步被配置成当所述能量储存元件被测量为具有预定高压阈值时切换所述第二开关到所述打开配置，以及当所述能量储存元件被测量为具有预定低压阈值时切换所述第二开关到所述闭合配置。
5.如权利要求4所述的电力采集装置，其中所述第一开关包括增强型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件，所述第二开关包括耗尽型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
6.如权利要求1所述的电力采集装置，进一步包括耦接到所述第一通路的二极管，其中当所述第一开关处于所述打开配置时，所述电流至少基本上流过第一通路，允许所述能量储存元件储存能量，以及当所述第一开关处于所述闭合配置时，所述直流电流至少基本上流过第二通路，允许所述能量储存元件释放储存的能量。
7.如权利要求6所述的电力采集装置，其中所述导体被配置成以输送交流电流，所述二极管包括肖特基二极管，该肖特基二极管被配置成以将所述交流电流整流为直流电流，以使所述能量储存元件基于所述直流电流储存能量。
8.如权利要求1所述的电力采集装置，其中所述能量储存元件是电容器。
9.一种电力采集装置，包括: 晶体管，该晶体管被耦接到配置为输送直流的导体，所述晶体管具有打开配置和闭合配置；耦接到所述导体的二极管，该二极管配置为产生电压降； 耦接到所述导体的升压转换器，该升压转换器被配置成以基于所述电压降接收输入直流电压，所述升压转换器被配置成以提供输出直流电压，该输出直流电压高于所述输入直流电压；以及 耦接到所述升压转换器的电容器，该电容器被配置为基于所述输出直流电压储存电荷以便为用电设备供电，该用电设备可操作以检测储存的电荷的低的阈值和储存的电荷的高的阈值，并当储存的电荷处于所述低的阈值时导致所述晶体管切换到所述打开配置，以及当储存的电荷处于所述高的阈值时导致所述晶体管切换到所述闭合配置。
10.如权利要求9所述的电力采集装置，其中所述用电设备包括微处理器，该微处理器被配置成测量储存的电荷并控制所述晶体管，使得当储存的电荷处于低的阈值时所述晶体管切换到所述打开配置，以及当储存的电荷处于高的阈值时所述晶体管切换到所述闭合配置。
11.如权利要求9所述的电力采集装置，进一步包括与所述电容器并联设置的指示器，该指示器被配置成以当所述电力采集装置被以正确的极性耦接到所述导体时提供指示。
12.如权利要求9所述的电力采集装置，其中所述用电设备包括收发器，该收发器被配置成发送和接收无线信号。
13.如权利要求9所述的电力采集装置，其中所述二极管包括肖特基二极管。
14.一种电力采集装置 ，包括: 配置为输送直流的导体，该导体具有至少第一节点和第二节点； 晶体管，该晶体管具有连接到所述第一节点的源极、连接到所述第二节点的漏极，以及栅极，所述晶体管被配置为具有打开配置和闭合配置； 二极管，该二极管具有连接到所述第一节点的阳极端子和连接到所述第二节点的阴极端子，所述二极管被配置为在所述阳极端子和所述阴极端子之间产生电压降； 升压转换器，该升压转换器具有连接到所述第一节点的第一升压转换器端子、连接到所述第二节点的第二升压转换器端子，所述第一升压转换器端子和所述第二升压转换器端子被配置为接收由电压降产生的输入直流电压，所述升压转换器进一步具有第三升压转换器端子和第四升压转换器端子以提供输出直流电压，该输出直流电压高于所述输入直流电压； 电容器，该电容器设置在所述第三升压转换器端子和所述第四升压转换器端子之间，所述电容器被配置为基于所述输出直流电压储存电荷；以及 用电设备，该用电设备具有耦接到所述第三升压转换器端子的第一用电设备端子以及耦接到所述第四升压转换器端子的第二用电设备端子，使得所述用电设备至少部分地由储存的电荷供电，所述用电设备具有耦接到所述晶体管的栅极的第三用电设备端子，使得当储存的电荷处于低的阈值时所述晶体管切换到所述打开配置，以及当储存的电荷处于高的高值时所述晶体管切换到所述闭合配置。
15.如权利要求14所述的电力采集装置，其中所述用电设备包括微处理器，该微处理器被配置成测量储存的电荷并控制所述晶体管，使得当储存的电荷处于低的阈值时所述晶体管切换到所述打开配置，以及当储存的电荷处于高的阈值时所述晶体管切换到所述闭合配置。
16.如权利要求14所述的电力采集装置，其中所述用电设备至少基本上由储存的电荷供电。
17.如权利要求14所述的电力采集装置，进一步包括与所述电容器并联设置的指示器，该指示器被配置成以当所述电力采集装置被以正确的极性耦接到所述导体时提供指/Jn ο
18.如权利要求17所述的电力采集装置，其中所述指示器为发光设备。
19.如权利要求14所述的电力采集装置，其中所述用电设备包括收发器，该收发器被配置成以发送和接收无线信号。
20.如权利要求 14所述的电力采集装置，其中所述二极管包括肖特基二极管。
【文档编号】H02M3/156GK103814510SQ201280033037
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年6月25日 优先权日:2011年7月1日
【发明者】M·哈桑-阿里, B·戈卢伯维克 申请人:泰科电子公司