能量收集電路從電壓源收集能量并使用所收集的能量給儲能元件充電。能量收集電路包括能量源、存儲從能量源輸出的能量的儲能電容器、功率變換器電路、儲能元件和使能電路。使能電路根據所監控的儲能電容器的電容電壓來導通和關斷升壓變換器電路。當升壓變換器電路被關斷時，儲能電容器積累從能量源輸出的能量，直到達到參考電壓，此后升壓變換器電路導通，這使電流能夠從儲能電容器流到儲能元件。當儲能電容器放電到最小電壓電平時，升壓變換器電路被關斷。使能電路和參考電壓電源都由能量源供電。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及能量收集領域。更具體地，本專利技術涉及低功率能量收集以為儲能設備充電的領域。
技術介紹
能量收集電路可用于從能量源收集能量并使用所收集的能量給電池充電。存在常 規的能量收集電路，其被配置成如果能量源電壓與電池電壓相同或高于電池電壓則以非常低的功率水平收集能量。還存在已知的能量收集結構，其用于在收集源電壓比輸出(電池)電壓低8到20倍時以低至大約50uW的水平收集能量。當前需要以幾微瓦或小于幾微瓦(例如大約2uW)進行能量收集，并且有向下的傾向。較小尺寸的能量源以低電壓電平產生低功率水平。這樣的能量源的例子是產生大約2uW和大約0.5V的小太陽能電池。問題在于如何收集處于比電池電壓小得多的電壓電平處的能量，并以有效的手段在那些功率水平處將所收集的電壓升高到電池電壓。圖IA示出了被配置成從低電壓的低功率源收集能量以給電池充電的常規能量收集電路的概念示意圖。能量收集電路10包括低電壓源20、儲能電容器Cl、電感器LI、晶體管Tl、二極管Dl、電容器C2、升壓控制器電路30、電池40、比較器50、電阻器Rl和電阻器R2。升壓控制器電路30、晶體管Tl、電感器LI、二極管Dl和電容器C2形成升壓變換器電路。低電壓源20是低電平功率源，在概念上被表示為電壓源22。在示例性應用中，低電壓源20在0. 5V處產生2uW。低電壓源20還具有在概念上被表示為電阻器RS的源阻抗。如本文使用的，所提及的“源電壓”指的是電壓源22兩端的電壓VS。晶體管Tl起使電流能夠從儲能電容器Cl流到電感器LI并接著流到電池40的開關的作用，該結構一般被稱為升壓變換器。當晶體管Tl導通時，等于VC的電壓施加在電感器LI上，以允許能量存儲在電感器LI中。當晶體管Tl導通時，二極管Dl被反向偏壓，從而阻斷電池40的電壓，且不允許電流從電池40流出。當晶體管Tl被關斷時，電感器LI中的所儲存的能量流經二極管Dl并將能量輸送到電池40中。電容器C2與電池40并聯，并用于降低電池40在開關頻率處的阻抗，并因此將來自于二極管Dl的能量的脈沖過濾出來。升壓控制器電路30提供控制信號作為到晶體管Tl的柵電壓，從而導通和關斷晶體管Tl。升壓控制器電路30向晶體管Tl的柵極提供脈沖寬度調制(PWM)信號，從而對輸送到電池40的能量的數量進行調節。在使用這種類型的升壓控制器的圖IA的示例性能量收集電路中，占空比是固定的，且升壓控制器的輸出借助于脈沖頻率調制(PFM)輸入來調節。PFM信號在電壓窗口內調節該輸出，電壓窗口由比較器50中的遲滯的量和參考(REF)輸入來設定。在其它例子中，PWM輸出的占空比由升壓控制器電路30內部的電路來控制，升壓控制器電路30內部的電路根據與內部參考比較的輸出電壓來改變占空比。在圖IA的例子中，通過比較器50所提供的PFM使能信號來導通和關斷升壓控制器電路30。比較器50的第一輸入稱合到電池40的輸出。比較器50的第二輸入稱合到參考電壓。當電池電壓大于參考電壓時，比較器50的輸出變低，且這被設置為在完全充電的電池電壓處。由于內置在比較器50內的遲滯，比較器50的輸出不變高，直到電池電壓減小到小于參考電壓的最小電壓電平。對于電池充電而言,如果電池40處于調節電壓(regulation voltage)處,則將沒有必要進行收集，這是因為電池已經被充過電了。能量收集電路10使用脈沖頻率調制(PFM)來收集由低電壓源20產生的低功率水平。這通過使用比較器50監控電池40兩端的升高的輸出電壓來實現。然而，僅在輸出處于其期望的調節電平處時，這種類型的變換器才能實現低功率操作，且這是當電池被完全充電時。為了給電池40充電，圖IA的升壓變換器消耗太多的功率，且不能在2uW水平處實現收集。每當電池40低于由電阻器R1、R2和參考電壓(REF)確定的預設電壓電平(完全充電)時，比較器50的輸出保持高，從而允許升壓控制器30連續地運行。對于低于調節電平 并需要充電的電池，圖IA的升壓控制器30試圖輸送比在低電壓源20處可用的能量更多的能量，從而將向下拉低電壓VC。因為升壓控制器30需要來自電池40的供電電流來執行其功能，且如果等于VC的電壓太低而不允許足夠的能量被替換，升壓變換器將從電池移除比它將輸送到電池中的能量更多的能量。該能量收集電路10的缺點是，為了收集在低電壓處的幾微瓦的能量，與輸送回到電池的能量的數量比較，必須消耗來自電池的更少的能量以操作升壓控制器30。即便假設可以克服供電電流問題，圖IA的能量收集電路也還存在其它問題。為了收集在2uW水平處的低功率，升壓控制器30需要具有與從低電壓源20可得到的平均電流相等的平均電感器LI的電流。實現這個低電流的一種方式是使電感器LI變得非常大，這對大部分應用而言是不合乎要求的。使平均電感器電流變得非常低的另一方式是使變換器以非常低的占空比操作，但這將升壓變換器限制到一個功率水平并增加了供電電流。在示例性應用中，低電壓源20在O. 5V處產生2uW，且電池40具有4V的充電電壓。為了在O. 5V處收集2uW，從4V電池到升壓控制器30的供電電流需要為大約ΙΟΟηΑ，晶體管Tl的漏極_源極電容需要為大約O. lpF，且電感器LI的阻抗需要為大約40mH。升壓變換器的典型供電電流在IOuA到IOOuA的范圍內，所以收集低于40uW的能量是不切實際的。比較器50監控電池40的輸出，且如果電池電壓大于參考電壓，則PFM使能信號為低且升壓變換器電路關斷。即使升壓變換器電路關斷，比較器50仍然需要功率來操作和執行比較功能。雖然能量收集電路10提供用于周期性地導通和關斷升壓變換器電路的脈沖調制裝置，但是這個架構對給電池40充電而言是無效的。使用能量收集電路10，如果電池40需要被充電，例如所監控的電池輸出小于參考電壓，則升壓控制器電路30將總是導通，且升壓變換器電路將總是消耗比它可輸送到電池40的功率更多的功率。低電壓源20不產生足夠的功率來連續給升壓變換器電路供電。升壓變換器電路將只導通并在進行收集時向下拉低電壓VC，并接著消耗比能夠從低電壓源20輸送的功率更多的來自電池40的功率。圖IA中采用的PFM類型的方法對導通和關斷升壓變換器電路是有用的，但能量收集電路不適用于給電池充電。相反，能量收集電路10中使用的PFM類型的方法對消耗來自電池的能量并向負載提供能量脈沖更加有用。例如，圖IA的能量收集電路適合于使用電池代替低電壓源20，并使用需要僅僅幾微瓦的功率輸送的負載來代替電池40。在這種結構中，升壓變換器電路可以只輸送幾微瓦，并且升壓變換器電路在不被需要時關閉。雖然圖IA所描述的能量收集電路對向負載提供能量突發是有用的，但是圖IA所描述的能量收集電路沒有為電池充電提供有效手段。圖IB示出了被配置成收集來自功率源的能量以給電池充電的常規能量收集電路的概念示意圖。能量收集電路80包括功率源24、儲能電容器C5、電感器L3、二極管D3、電容器C7、變換器控制器電路60、電池42、電容器C6、電阻器R3-R10和使能電路70。變換器控制器電路60、電感器L3、二極管D3、電容器C6和電容器C7形成變換器電路。來自太陽能電池功率源24的能量存儲在電容器C5中。變換器控制器電路60具有與圖IA的升壓控本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...
【專利技術屬性】
技術研發人員：J·J·洛卡斯西奧，
申請(專利權)人：馬克西姆綜合產品公司，
類型：
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。