本發(fā)明涉及自供電傳感，具體地，涉及一種磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路和裝置。

背景技術(shù)：

1、磁電換能器由于有很高的磁-機(jī)-電轉(zhuǎn)化效率，被用于高靈敏磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域。特別是在電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸收显\斷時(shí)，顯示其巨大優(yōu)勢(shì)。在利用其高分辨?zhèn)鞲袝r(shí)，還可以用它實(shí)現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電力線的自供電傳感和監(jiān)測(cè)。顯然，利用磁電換能器高效獲取更多能量，是實(shí)現(xiàn)自供電傳感器的關(guān)鍵。為此，能夠通過磁電換能器俘獲電力線周圍的磁能，高效、低功耗轉(zhuǎn)換為電能的取能電路，對(duì)于長(zhǎng)期、免維護(hù)自供電傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行具有重要的意義。

2、磁電換能器可等效為帶容性內(nèi)阻的電壓源，要克服內(nèi)電容的無(wú)功功率是非常困難的，取能電路只有與磁電換能器共軛阻抗匹配，才能得到最大功率輸出。目前廣泛應(yīng)用的取能電路主要包含3類：第一類是通過全橋整流，將交流信號(hào)變?yōu)橹绷鞯臉?biāo)準(zhǔn)電路，由于沒有感性元件實(shí)現(xiàn)匹配，轉(zhuǎn)化效率非常低。第二類是開關(guān)與感性元件結(jié)合，這時(shí)有電路諧振，但是，沒有共軛阻抗匹配，效率仍然有待提高。第三類是采用最大功率點(diǎn)電路(mppt)，由于控制模塊功耗較大(通常為毫瓦量級(jí)以上)，很難應(yīng)用于電力線小電流(1-5a左右)的能量采集和自供電系統(tǒng)。為此，需要低功耗、共軛阻抗匹配的取能電路，高效將磁電換能器內(nèi)部能量最大化輸出，為傳感器和其它電子元件供能。

3、目前交流電力線工作頻率為50hz，而磁電換能器內(nèi)部電容較小(1-10nf)，要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，取能電路的電感達(dá)到1000-10000h。直接加大電感不僅體積龐大，而且分布電容遠(yuǎn)超磁電換能器內(nèi)部電容，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效輸出。因此，需要將工作頻率提高，才能減小電感值，實(shí)現(xiàn)共軛阻抗匹配。通常的取能電路的控制電路功耗較大，這就意味該取能電路工作閾值較高。對(duì)于通常小電流電力線取能，較高的控制電路功耗使得取能效率也較低，啟動(dòng)功率閾值也非常大，這也限制了它的應(yīng)用。為此，迫切需要超低功耗(10μw量級(jí)以下)、高效(80％以上)的磁電自供能取能電路，在小電流環(huán)境提取電力線周圍磁場(chǎng)能量，為電力線傳感、檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。

4、專利申請(qǐng)文獻(xiàn)cn104578786a公開了一種磁能自我轉(zhuǎn)換電能的交流直流互相轉(zhuǎn)換電路，主要結(jié)構(gòu)包括輸出電路、整流器、變頻器、輸入電路及輸入多輸出變壓器等部分組成；磁能電動(dòng)機(jī)在背面線圈產(chǎn)生電能之后，把交流輸入變頻器，使電流的頻率復(fù)合電動(dòng)機(jī)頻率，再經(jīng)過多輸出變壓器，把電壓調(diào)整到額定電壓，再輸入整流器，一部分輸入回路，給電動(dòng)機(jī)供電，一部分輸出給用電器使用。然而該專利無(wú)法完全解決目前存在的技術(shù)問題，也無(wú)法滿足本發(fā)明的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路和裝置。

2、根據(jù)本發(fā)明提供的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，包括：

3、磁電換能器輸出等效電路，用于模擬磁電換能器的輸出特性；

4、變頻匹配阻抗變換電路，用于將阻抗相差大于預(yù)設(shè)閾值的磁電換能器與儲(chǔ)能元件進(jìn)行共軛匹配；

5、儲(chǔ)能元件，用于將微弱能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；

6、帶穩(wěn)壓瞬放電路，用于將長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存能量瞬間高功率輸出；

7、自供電控制電路，采用高阻抗電阻電容串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)供電，使得磁電換能器輸出到控制電路的電壓僅在峰值點(diǎn)附近維持預(yù)設(shè)值，其它時(shí)刻迅速衰減，減少能量消耗；

8、所述磁電換能器連接變頻匹配阻抗變換電路和自供電控制電路；所述變頻匹配阻抗變換電路連接儲(chǔ)能元件；所述儲(chǔ)能元件連接帶穩(wěn)壓瞬放電路；所述自供電控制電路連接帶穩(wěn)壓瞬放電路。

9、優(yōu)選地，所述變頻匹配阻抗變換電路包括變頻匹配電路和多級(jí)阻抗變換電路；所述變頻匹配電路連接磁電換能器輸出等效電路和多級(jí)阻抗變換電路，所述多級(jí)阻抗變換電路連接儲(chǔ)能元件；使得磁電換能器小的內(nèi)電容與大的儲(chǔ)能超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)共軛匹配。

10、優(yōu)選地，所述自供電控制電路包括依次連接的高阻抗電路、峰值點(diǎn)電路、微分電路、延遲電路和閾值控制電路；

11、所述高阻抗電路與磁電換能器輸出等效電路連接，所述微分電路連接變頻匹配電路，所述延遲電路連接多級(jí)阻抗變換電路，所述閾值控制電路與帶穩(wěn)壓瞬放電路連接；

12、所述高阻抗電路用于將磁電換能器輸出為自供電控制電路提供低功耗電源；

13、所述峰值點(diǎn)電路用于確定峰值準(zhǔn)確時(shí)刻；

14、所述微分電路用于輸出脈沖，提供給變頻匹配電路；

15、所述延遲電路用于為多級(jí)阻抗變換電路提供控制信號(hào)；

16、所述閾值控制電路用于根據(jù)儲(chǔ)能元件輸出電壓產(chǎn)生選通信號(hào)，控制帶穩(wěn)壓瞬放電路進(jìn)行dc-dc變換，為負(fù)載提供電源輸出。

17、優(yōu)選地，磁電換能器包括電容和電壓源，與電感和開關(guān)串聯(lián)，通過開關(guān)的通斷，將低頻信號(hào)調(diào)諧到電容和電感的諧振頻率處，實(shí)現(xiàn)變頻匹配。

18、優(yōu)選地，用變壓器替換電感，進(jìn)行阻抗變換；在變壓器和開關(guān)的輸入端增加全橋整流，變頻匹配后，能量通過二極管暫時(shí)儲(chǔ)存到電容上，當(dāng)電容的電壓達(dá)到最大，窄脈沖信號(hào)控制開關(guān)導(dǎo)通，通過變壓器和整流二極管將電容能量變換到儲(chǔ)能超級(jí)電容上。

19、優(yōu)選地，電阻和電容連接，組成積分電路；電阻、電容和穩(wěn)壓管依次連接，組成基準(zhǔn)電路；積分電路輸出電壓與基準(zhǔn)電壓通過比較器組成延遲電路，產(chǎn)生延遲脈沖，控制多級(jí)阻抗變換電路。

20、優(yōu)選地，儲(chǔ)能元件上電壓與基準(zhǔn)電壓通過比較器組成閾值電路，當(dāng)儲(chǔ)能元件上電壓低于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出電壓為高電平；當(dāng)儲(chǔ)能元件上電壓高于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出電壓為低電平，啟動(dòng)帶穩(wěn)壓瞬放電路。

21、優(yōu)選地，比較器采用輸出開路帶上拉電阻的方式。

22、優(yōu)選地，閾值電路輸出與外控制通過電阻連接，當(dāng)自動(dòng)控制端閾值電路輸出的電壓為低，帶穩(wěn)壓瞬放電路工作，使得儲(chǔ)能元件上電壓經(jīng)過dc-dc變換電路輸出穩(wěn)定電壓；即使儲(chǔ)能元件上電壓沒有達(dá)到閾值，只要外控制為低電平，仍然開啟dc-dc變換電路。

23、根據(jù)本發(fā)明提供的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能裝置，包含所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

25、(1)本發(fā)明電路采用高效變頻共軛阻抗匹配工作方式，將50hz工頻能量轉(zhuǎn)化為高頻能量，從而大幅度減小匹配電感的體積，同時(shí)通過變壓器阻抗變換，實(shí)現(xiàn)磁電換能器和取能電路的共軛阻抗匹配，提高能量轉(zhuǎn)化效率；

26、(2)本發(fā)明電路根據(jù)磁電換能器能量轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，只在磁電換能器輸出電壓最大點(diǎn)非常短時(shí)間范圍將能量輸出，就可以獲得所有能量，控制電路只需在超短的峰值點(diǎn)時(shí)刻工作，大幅度降低電路功耗，使得電路閾值大幅度降低；

27、(3)本發(fā)明電路由于采用超低功耗、高效能量轉(zhuǎn)化方法，避免傳統(tǒng)取能電路功耗大、效率低的不足，可以集成為小巧、單片的、低功耗取能集成電路，應(yīng)用于超低功耗自供電傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)等許多領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，其特征在于，所述變頻匹配阻抗變換電路包括變頻匹配電路和多級(jí)阻抗變換電路；所述變頻匹配電路連接磁電換能器和多級(jí)阻抗變換電路，所述多級(jí)阻抗變換電路連接儲(chǔ)能元件；使得磁電換能器小的內(nèi)電容與大的儲(chǔ)能超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)共軛匹配。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，其特征在于，所述自供電控制電路包括依次連接的高阻抗電阻電容串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電路、峰值點(diǎn)電路、微分電路、延遲電路和閾值控制電路；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，其特征在于，磁電換能器等效為電容和電壓源，與電感和開關(guān)串聯(lián)，通過開關(guān)的通斷，將低頻信號(hào)調(diào)諧到電容和電感的諧振頻率處，實(shí)現(xiàn)變頻匹配。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，其特征在于，用變壓器替換電感，進(jìn)行阻抗變換；在變壓器和開關(guān)的輸入端增加全橋整流，變頻匹配后，能量通過二極管暫時(shí)儲(chǔ)存到電容上，當(dāng)電容的電壓達(dá)到最大，窄脈沖信號(hào)控制開關(guān)導(dǎo)通，通過變壓器和整流二極管將電容能量變換到儲(chǔ)能超級(jí)電容上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，其特征在于，電阻和電容連接，組成積分電路；電阻、電容和穩(wěn)壓管依次連接，組成基準(zhǔn)電路；積分電路輸出電壓與基準(zhǔn)電壓通過比較器組成延遲電路，產(chǎn)生延遲脈沖，控制多級(jí)阻抗變換電路。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，其特征在于，儲(chǔ)能元件上電壓與基準(zhǔn)電壓通過比較器組成閾值電路，當(dāng)儲(chǔ)能元件上電壓低于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出電壓為高電平；當(dāng)儲(chǔ)能元件上電壓高于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出電壓為低電平，啟動(dòng)帶穩(wěn)壓瞬放電路。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，其特征在于，比較器采用輸出開路帶上拉電阻的方式。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路，其特征在于，閾值電路輸出與外控制通過電阻連接，當(dāng)自動(dòng)控制端閾值電路輸出的電壓為低，帶穩(wěn)壓瞬放電路工作，使得儲(chǔ)能元件上電壓經(jīng)過dc-dc變換電路輸出穩(wěn)定電壓；即使儲(chǔ)能元件上電壓沒有達(dá)到閾值，只要外控制為低電平，仍然開啟dc-dc變換電路。

10.一種磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能裝置，其特征在于，包含權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種磁電換能器的高效低功耗大電壓范圍取能電路和裝置，包括：磁電換能器輸出等效電路，用于模擬磁電換能器的輸出特性；變頻匹配阻抗變換電路，用于將阻抗相差大于預(yù)設(shè)閾值的磁電換能器與儲(chǔ)能元件進(jìn)行共軛匹配；儲(chǔ)能元件，用于將微弱能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；帶穩(wěn)壓瞬放電路，用于將長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的能量瞬間高功率輸出；自供電控制電路，采用高阻抗電阻電容串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)從磁電換能器供電，使得磁電換能器輸出到控制電路的電壓僅在峰值點(diǎn)附近維持預(yù)設(shè)值，其它時(shí)刻迅速衰減，減少能量消耗。該電路具有高效率、低功耗、無(wú)冷啟動(dòng)、間歇驅(qū)動(dòng)大負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)，可用于低功耗自供電傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)等許多領(lǐng)域的能量采集和管理。

技術(shù)研發(fā)人員：李平,鞠登峰,張?chǎng)?張明,文玉梅,梁先鋒,王冠鷹,王國(guó)達(dá),王志良,陸忞,邢澤洲,彭翔
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8