基于压电振动能采集的电源管理电路

本发明属于电路设计，具体涉及一种基于压电振动能采集的电源管理电路。

背景技术：

1、压电振动能量采集是利用压电材料压电效应，对环境中机械振动能进行采集的方法。由于压电换能器输出的是交流信号，而电子设备一般依赖直流电源供电，因此，在压电换能器和电子设备之间需要一个接口电路，通过接口电路实现交流电到直流电的转变。但是不同的压电换能器、振动条件、接口电路都会影响压电换能器电能转换效率，对于固定的压电换能器和接口电路，采集电路输出的功率与振动条件以及接口电路的阻抗匹配特性相关。

2、因此，急需设计一种电路以便能以最大的功率收集压电换能器的压电能量。

技术实现思路

1、为了解决相关技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于压电振动能采集的电源管理电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供一种基于压电振动能采集的电源管理电路，包括：

3、压电换能器、开关与储能模块、电感和检测与采集控制模块；

4、所述压电换能器，一端与所述开关与储能模块连接，另一端接地；

5、所述开关与储能模块，与所述电感的两端连接，以及电压输出端与待供电负载连接；

6、所述检测与采集控制模块，第一个输入端和第二个输入端均分别与所述压电换能器未接地的一端连接，第三个输入端和所述第四个输入端分别与所述电感两端连接，第五个输入端与所述开关与储能模块的电压输出端连接，第六个输入端接入基准电压，输出端与所述开关与储能模块的输入端连接；所述检测与采集控制模块用于通过控制所述开关与储能模块中不同开关管的工作状态和所述电感的充电状态，控制所述压电换能器的电压翻转，并对所述压电换能器进行最大功率采集，在所述压电换能器的电压翻转后，对所述压电换能器进行采样，采样1/4个振动周期后，得到最大功率点电压，采样结束后进行最大功率采集压电振动能，通过buck-boost转换将所述压电换能器的输出电压维持在最大功率点电压水平，同时维持所述输出电压在基准电压水平。

7、在一些实施例中，所述开关与储能模块包括：

8、第一开关管，第一端与所述压电换能器未接地的一端连接，第二端与所述检测与采集控制模块的输出端ck1连接，第三端与所述电感的一端连接；

9、第二开关管，第一端与所述压电换能器未接地的一端连接，第二端与所述检测与采集控制模块的输出端ck2连接，第三端与所述电感的另一端连接；

10、第三开关管，第一端与所述检测与采集控制模块的输出端ck3连接，第二端与储能元件的一端连接，第三端与所述第二开关管的第三端连接；

11、所述储能元件，未与所述第三开关管连接的一端接地；

12、第四开关管，第一端与所述检测与采集控制模块的输出端ck4连接，第二端与所述第二开关管的第三端连接，第三端接地；

13、第五开关管，第一端与所述检测与采集控制模块的输出端ck5连接，第二端与所述第三开关管的第二端连接，第三端与所述第一开关管的第三端连接；

14、第六开关管，第一端与所述检测与采集控制模块的输出端ck6连接，第二端与所述第一开关管的第三端连接，第三端接地；

15、第七开关管，第一端与所述检测与采集控制模块的输出端ck7连接，第二端与所述第六开关管的第二端连接，第三端与输出电容cout的一端连接；

16、所述输出电容cout，未与所述第七开关管连接的一端接地。

17、在一些实施例中，所述第一开关管或所述第二开关管，包括：传输门和反相器；

18、所述传输门的控制输入端与所述反相器的输入端连接，所述传输门的反相控制输入端与所述反相器的输出端连接；其中，所述传输门的数据输入端为所述第一开关管或所述第二开关管的第一端，所述传输门的数据输出端为所述第一开关管或所述第二开关管的第三端，所述传输门的控制输入端为所述第一开关管或所述第二开关管的第二端。

19、在一些实施例中，所述检测与采集控制模块包括：

20、检测与翻转控制模块，第一输入端与所述压电换能器未接地的一端连接，第二输入端和第三输入端分别与所述电感的两端连接，第一输出端和第二输出端与逻辑控制模块的第一输入端和第二输入端连接；

21、最大功率采集与电压调节模块，第一输入端与所述检测与翻转控制模块的第三输出端连接，第二输入端与所述压电换能器未接地的一端连接，第三输入端与所述输出电容cout未接地的一端连接，第四输入端接入基准电压，第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端分别与所述逻辑控制模块的第三输入端、第四输入端、第五输入端和第六输入端连接；

22、所述逻辑控制模块，第一输出端ck1与所述第一开关管的第二端连接，第二输出端ck2与所述第二开关管的第二端连接，第三输出端ck3与所述第三开关管的第一端连接，第四输出端ck4与所述第四开关管的第一端连接，第五输出端ck5与所述第五开关管的第一端连接，第六输出端ck6与所述第六开关管的第一端连接，第七输出端ck7与所述第七开关管的第一端连接。

23、在一些实施例中，所述检测与翻转控制模块包括：

24、峰值电压检测模块，输入端与所述压电换能器未接地的一端连接，输出端分别与反相器的输入端和第二rs触发器的s端连接；

25、所述反相器，输出端与第一rs触发器的s端连接；

26、所述第一rs触发器，q端与所述逻辑控制模块的第一输入端连接；

27、所述第二rs触发器，q端与所述逻辑控制模块的第二输入端连接；

28、电感反向电流检测模块，两个输入端分别与所述电感的两端对应连接，两个输出端分别与所述第一rs触发器的r端和所述第二rs触发器的r端对应连接。

29、在一些实施例中，所述最大功率采集与电压调节模块包括：

30、二倍频模块，输入端与所述检测与翻转控制模块的第三输出端连接，输出端与mppt采样与电压调节模块的一个输入端连接；

31、所述mppt采样与电压调节模块，另一个输入端与所述压电换能器未接地的一端连接，两个输出端分别与所述逻辑控制模块的第三输入端和第四输入端连接；

32、输出电压调节模块，第一输入端与所述输出电容cout未接地的一端连接，第二输入端接入基准电压，两个输出端分别与所述逻辑控制模块的第五输入端和第六输入端对应连接。

33、在一些实施例中，所述峰值电压检测模块，用于检测所述压电换能器输出电压信号的正/负电压峰值，并在检测到正/负电压峰值时刻控制所述压电换能器和所述电感形成lc谐振回路，使所述压电换能器的电压开始翻转；

34、所述电感反向电流检测模块，用于当所述压电换能器和所述电感形成lc谐振回路时，在所述电感的电流过零时刻断开lc谐振回路，结束所述压电换能器电压翻转的过程。

35、在一些实施例中，所述二倍频模块，用于对输入的方波信号进行二倍频处理，得到频率为输入的方波信号的二倍、且占空比为1/2的输出信号。

36、在一些实施例中，所述mppt采样与电压调节模块，用于在高电平阶段采样所述压电换能器的电压，在下降沿时结束采样过程并保持采样电压，在低电平阶段进行最大功率跟踪并采用buck-boost转换器控制技术采集所述压电换能器的压电振动能，在上升沿时结束采集过程。

37、在一些实施例中，所述输出电压调节模块，用于当所述输出电容cout未接地的一端的输出电压vout低于基准电压vref，且同时所述压电换能器处于最大功率点时，从所述压电换能器提取能量为所述待供电负载供电；当所述输出电压vout低于所述基准电压vref，且同时所述压电换能器未处于最大功率点时，从所述储能元件中提取能量为所述待供电负载供电；当所述输出电压vout高于所述基准电压vref，且同时所述压电换能器处于最大功率点时，将所述压电换能器的能量提取到所述储能元件上。

38、本发明具有如下有益技术效果：

39、本发明不需要整流电容就可以实现压电能采集的最大功率跟踪，实现了最大功率跟踪和输出电压调节的同步控制，且通过单次转换就可以将压电换能器产生的能量供给与负载，避免了多次转换导致的级联损耗问题，只需要单个电感即可完成压电换能器的同步开关电感整流与电源管理。

40、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。