本实用新型属于电子技术领域中的电源管理电路，特别涉及一种全自主型、具有超低启动电流的能量收集型的间歇电源。
背景技术：
电源管理技术是近年来被加速研究的重点领域，特别是对能量收集领域的应用越来越广泛。在传感器技术加速推广应用的当下，各种超低功耗和高性能的元器件不断涌现，由此构成的传感器系统能在超低的系统功耗和超宽的电源范围运行，为传感器更大范围的推广应用奠定了物质基础。但是，如何收集利用环境能源，推动传感器工作，依然严重滞后。众所周知，传统的传感器工作时，主要依靠有线电源或电池等能源推动工作，而在传感器“泛在”的当下，要及时对电池进行维护和更换是极其浩繁的工作量；并且，大量废旧电池的回收管理极困难，亦可能对环境造成巨大压力。有线供电必须进行大量布线，不仅消耗大量资源，安装和维护工作量大，在某些特殊的应用现场，如高电压设备上，进行布线供电是不可能的。因此，利用收集的环境能源推动传感器工作就显得越来越重要和迫切。已经成为制约传感器大面积应用的瓶颈。
在环境能源收集方面，主要涉及将不同形式的环境能源进行转换和对电源进行有效管理等重点环节。其中，电源管理至关重要，已经成为“短板”。目前，在电源管理方面，国内外进行了大量的研究和推广应用，形成了两大方面的成果：理论研究成果和商业器件的推出。在电源管理的理论研究方面，国内外的大量研究推出了丰富的成果，各种局部功能电路和系统型的接口电路被推出，为应用研究提供了方法和手段。但是，一些理论研究成果也存在明显不足：一是结构复杂，组成环节过多，阻碍了向实际应用的推进；二是需要额外电源或其他辅助手段，进一步增加了应用难度；三是未进行面向应用的深入分析研究，例如大量的研究工作仅局限在“常温”条件下进行，没有对局部电路或集成的管理电路系统的热稳定性进行进一步的分析。这些不足形成了从理论向实际应用推进的障碍。
在应用研究方面，国内外也形成了大批成果，既有深入的理论分析，也有大量功能环节的深入研究，在此基础上形成的各种技术方案被不断推出，推动了利用收集的环境能量支撑传感器系统的应用。但是，一些技术方案还有改进和提升的空间。例如在201310535117.5专利文件中提出的技术方案，使用了三片换能片和与之对应的模块电路，使系统过于复杂，难以现场应用。又例如在201611152002.8的专利文件中提出的技术方案，电路系统很简洁，但其自身能耗太大，在不考虑其全桥整流部分、偏置电路等部分在全温度范围内可能的消耗外，仅两片模拟开关就可能消耗20ua工作电流，这严重制约其应用。
在商业器件的生产和供应方面，相关半导体元器件生产商投入资源进行研究和开发，推出了相应的pmic器件，也推动了能量收集领域的工程应用。例如mb39c811型和ltc3588系列即为面向工程应用的pmic器件。这类器件在特定的领域中，开发出了有比较成功的应用案例。然而，这两种类型的pmic器件的静态工作电流依然偏高，在环境能源密度较低或空间受限的应用现场有其局限性。ltc3588系列在25摄氏度时的静态工作电流为700na,考虑到温度上升的影响，以及内部的全桥电路和保护电路的消耗，当工作温度达到85摄氏度的工业要求范围时，其静态电流将急剧上升，降低其灵敏度和效率，使其应用受限。mb39c811在25摄氏度时静态工作电流达到775na,加上内部两个全桥电路漏电流等，当工作温度达到85摄氏度的工业要求时，其静态工作电流也将急剧上升，制约其在实际工程领域的应用，该型号已于2018年被宣布为不推荐用于新的设计。在很多工程实际应用中，经常会碰到远远超过25摄氏度的工作温度，甚至接近85摄氏度的工作温度，例如配电室中高压开关柜的内环境即是如此。
在一些不同形式的环境能源的采集转换中，输出的功率很小，输出的电流极其微弱，但其输出的电压较高。例如在基于压电转换的环境振动能源收集和基于电场感应的交变电场能源收集中，其技术很成熟，转换的输出电压很高，但其输出电流非常微弱。尽管环境振动能源和环境交变电场能源普片存在，要将其收集并实现工程意义上的大范围应用，困难重重。将极其微弱的转换输出电流进行非常灵敏和高效收集，达到推动传感器等的“无电池”工程应用要求，既显得重要又非常迫切。
技术实现要素：
本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，其特征在于，包括：
换能器：用于将不同形式的能源转换为交流电；
整流组件：用于将换能器输出的交流电转换为直流电；
储能组件：用于储能整流组件输出的直流电，并为保护控制组件以及载荷供电；
保护控制组件：进行检测并按设定的策略控制储能组件的输出电能给载荷。
在上述的一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，设定策略包括间隔时间、输出持续时间和每次输出能量的大小。
在上述的一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，所述储能组件包括两个串联的储能保护单元，两个储能保护单元串联后两端与整流组件的输出连接。
在上述的一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，所述保护控制组件包括并联在其中一个储能保护单元上的控制单元、以及控制导通模块，控制单元通过启动或关闭控制导通模块对另一个用于载荷供电的储能保护单元进行监控。
在上述的一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，所述保护控制组件还包括并联在另一个储能保护单元上的测控单元、以及测控导通模块，测控单元通过启动或关闭测控导通模块控制另一个储能保护单元给载荷供电。
控制单元由分立元件构成；也可以由分立元件和集成器件共同构成，还可以由纯集成器件实现。实现其功能的电路有多种拓扑结构，本实施例使用纯集成器件可编程定时器和监控器tpl5000并配合ts1共同实现控制单元的控制功能。测控单元可以由分立元件构成，也可以由分立元件和集成器件共同构成。实现其功能的电路有多种拓扑结构，本实施例使用电阻r1、r2、r3和带参考可调滞回比较器mic841h共同构成测控单元。通过调整三个电阻的具体阻值，设定本测控单元的上限门槛和下限门槛，以实现对储能电容c1的储能状况进行检测并通过ts2对负载供能进行控制。
一种实现全自主超低启动电流能量收集间歇电源的电路拓扑，其特征在于，包括设置在交变电场中用于感应电流的导电体，导电体输出端与整流单元输入端链接，储能电容c1和储能电容c2串联后接整流单元输出端；连接在储能电容c1输出端的测控单元通过晶体管ts2控制储能电容c1向载荷提供给定的电能；并联在储能电容c2输出端的控制单元通过晶体管ts2控制测控单元对储能电容c1进行定时检测。
在上述的电路拓扑，其特征在于，所述储能电容c2输出端还连接保护二极管d2。
一种实现全自主超低启动电流能量收集间歇电源的电路拓扑，其特征在于，包括设置在交变电场中用于感应电流的导电体，导电体输出端与整流单元输入端链接，储能电容c3和c4串联后接整流单元输出端；连接在储能电容c4输出端的控制单元通过晶体管ts控制储能电容c3向载荷提供给定的电能。
在上述的电路拓扑，其特征在于，所述储能电容c3输出端和储能电容c4输出端分别连接有保护二极管ds1和保护二极管d1。
因此，本实用新型具有如下优点：1.本实用新型灵敏度高，能显著扩大传感器“无电池”应用范围；2.本实用新型结构简洁，体积小巧，适应性强，可靠性高；3.本实用新型所需元器件少，极大降低成本。
附图说明
附图1是本实用新型的功能示意图。
附图2是本实用新型的结构总图。
附图3是本实用新型实施例一(定量供能型)。
附图4是本实用新型实施例二(定时供能型)。
附图5是附图3的具体电路型号结构示意图。
附图6是附图4的具体电路型号结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
附图1为功能示意图。环境能源通过机电耦合，作用在换能器上，使换能器输出与之对应的电气量，将不同形式的能源转换为电能；整流单元将交变形式的电能转换为直流形式的电能；“储能保护控制”环节进行检测并按设定的策略控制输出能量，其间隔时间、输出持续时间和每次输出能量的大小，由预设策略确定。
附图2为总结构图。环境能源通过机电耦合，作用在“换能”环节，激发特定的换能器，使其输出交变电气量，通过整流单元向“储能保护1”、“储能保护2”和控制单元充电和供电，控制单元通过ts1向测控单元控制定时测量，当满足设定条件时，测控单元经由ts2向“载荷”间歇提供能量，其提供能量的额度，按载荷需要，在测控单元中编程确定。
在交变电场空间中相隔的两个导体b1和b2引向整流单元，由整流单元进行变换后，向电容器c1和c2充电，并向控制单元供电；由联接在c2两端的二极管d2对所联接的元器件进行保护并使其工作在适当的电压范围。控制单元按照预先的设定(，由其输出端对晶体管ts1进行控制；测控单元在控制单元的支配下，对电容器c1进行检测，当电容器c1上的储能状态满足设定要求时，测控单元控制ts2开放导通，电容器c1经由ts1和ts2向“载荷”提供给定的能量，使“载荷”实现设定的功能并完成规定的工作任务。
本实施例中，门槛限值是指测控模块对被监测对象的变化进行监测时，判断其是否达到预定状态时的设定值，具体都本实施例是指设定主储能电容c1的两个阈值，即上限储能阈值和下限储能阈值，测控模块通过控制模块控制监测主储能电容上储能情况，当充电达到上限储能阈值时，测控模块控制开通向载荷供电；随着供电的延续，当主储能电容c1放电达到下限储能阈值时，测控模块控制关断向载荷供电，如此循环。
本实施例中，对于具体的实际应用，涉及“储能电容”、“控制单元”和“测控单元”的选择和设定：”储能电容“可选择其容量大小，主要取决与目标应用中的耗能大小，如果耗能多，则需选择容量较大的电容器；反之，则选择较小的电容器。”控制单元“主要是用来对”测控单元“进行控制，通过对”控制单元“的”开放时间“和两次开放之间的“时间间隔”设置，使“测控单元”并不是连续测控，以最大限度的减少电路的自身消耗，本实施涉及的电路结构是能量采集应用中非常重要的创新。测控单元是在控制单元控制下，对主储能电容c1的储能状态进行检测并联合ts2决定对载荷的供电与否。
本例所述导体b1和b2为符合要求的任意形状的导体。所述导体b1和b2可以为均悬浮在电场中的导体；也可以为在目标应用中将环境中原有带电体与其中一端相连接，另外一端悬浮。两导体b1和b2经由“整流”等后续环节，在交变电场中感应电流，实现在电场中的取能；整流单元由二极管或晶体管构成“桥式整流电路”；“桥式整流电路”必须满足极小的漏电流特性，并能保持整体的良好热稳定性，以满足应用对象和应用现场的要求。
所使用的电容器应采用超低漏电流的电容器，并具有抗冲击，抗震和耐热特性。
所使用的保护二极管为低漏电流稳压二极管或电压调整二极管。
控制单元由专用ic或搭建的超低功耗振荡电路；所述专用ic为超低功耗可编程定时器；所述定时器或振荡电路能按设定的时间间隔和持续时间，驱动晶体管ts1。
晶体管ts1为超低漏电流结型场效应晶体管(njfet)，按需要由单只或组合应用。
测控单元为低功耗电压检测电路。所述电压检测电路由电压比较器或运算放大器及其外围元件组成，测控单元可以设定“门槛”和“滞回”，使其在满足条件时，决定向“载荷”供电或断电。
本例所使用的ts2为低漏电流、超低导通电阻型晶体管。
本例所涉及的全部电路结构和元器件安装在pcb上，和应用系统一并集成在一片pcb上，电路芯部放置在具有磁和电双重屏蔽的壳体内，并进行灌封处理，达到隔电、隔磁、隔震、防尘和防潮的效果，以增强器可靠性。起到屏蔽作用的电屏蔽壳体亦为导体的一端。
实施例二：
附图4为实施例二。实施例二为本实用新型的另外一种实施方式。与实施例一相同，是应用在交变电场中的感应取能装置。与实施例一不同，本实施例中c3两端设有保护措施，并省略测控单元，有控制单元以设定的时间间隔和设定的持续时间，向“载荷”其执行任务所需要的能量。
本实施例使用在耗能相对更小的应用中。本实施例较实施例一作了明显的简化：在电容器c3两端连接了保护二极管ds1，所述ds1为低漏电流稳压二极管、电压调整二极管或其组合。本实施例二省去了测控单元及所控制的晶体管ts2。本实施例二其余部分在结构、元器件安排和性能工艺要求上通实施例一。
需要注意的是，上述两个实施例中，适当选用元器件和电路结构时能达到非常好的效果，在“总结构图”的思路下，一般能适用(但不限)于压电转换原理的环境振动能源的收集和电场感应原理的环境交变电场能源的收集和利用。经过反复试验，在实施例一和实施例二中，当处于常温时，本实用新型的最低启动电流可低至30na。考虑其中对工作温度敏感的部分随温度上升而增加，总的静态工作电流，亦即启动电流，依然会增加。按照半导体pn结理论和工程处理经验，即温度每升高10摄氏度，其漏电流增加1倍测算，当工作温度达到85摄氏度时，即使考虑漏电流随温度升高而增加，其静态工作电流约为100na。这将显著缩小“电源”体积、极大拓展应用范围，并能将“电源”部分和传感器部分集成为一体，使整个应用系统更小巧，显著提高传感器系统的环境适应性，进而扩大传感器系统的应用范围。
最后，本实用新型中，换能器是指的“压电振动”和“电场感应”换能环节，是常规的应用电场感应换能原理将交变电场能转换为交变电量的结构。
整流组件是指将交变电量转换成脉动直流电量的一种功能电路结构，最常见的是“桥式整流电路”，适用本案的又有二极管、晶体管等多种实现形式，均为常规的技术手段。
本实用新型需要保护的上述描述的硬件及其连接结构，对于涉及到信号的处理方法和过程，是为了解释本实用新型的硬件结构的工作原理，不属于本实用新型的保护范围，采用本实用新型的硬件连接结构后，信号处理的过程均能够通过现有技术实现。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
1.一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，其特征在于，包括：
换能器：用于将不同形式的能源转换为交流电；
整流组件：用于将换能器输出的交流电转换为直流电；
储能组件：用于储能整流组件输出的直流电，并为保护控制组件以及载荷供电；
保护控制组件：进行检测并按设定的策略控制储能组件的输出电能给载荷。
2.根据权利要求1所述的一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，其特征在于，设定策略包括间隔时间、输出持续时间和每次输出能量的大小。
3.根据权利要求1所述的一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，其特征在于，所述储能组件包括两个串联的储能保护单元，两个储能保护单元串联后两端与整流组件的输出连接。
4.根据权利要求3所述的一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，其特征在于，所述保护控制组件包括并联在其中一个储能保护单元上的控制单元、以及控制导通模块，控制单元通过启动或关闭控制导通模块对另一个用于载荷供电的储能保护单元进行监控。
5.根据权利要求4所述的一种全自主超低启动电流能量收集间歇电源，其特征在于，所述保护控制组件还包括并联在另一个储能保护单元上的测控单元、以及测控导通模块，测控单元通过启动或关闭测控导通模块控制另一个储能保护单元给载荷供电。
6.一种实现权利要求1所述的全自主超低启动电流能量收集间歇电源的电路拓扑，其特征在于，包括设置在交变电场中用于感应电流的导电体，导电体输出端与整流单元输入端链接，储能电容c1和储能电容c2串联后接整流单元输出端；连接在储能电容c1输出端的测控单元通过晶体管ts2控制储能电容c1向载荷提供给定的电能；并联在储能电容c2输出端的控制单元通过晶体管ts2控制测控单元对储能电容c1进行定时检测。
7.根据权利要求6所述的电路拓扑，其特征在于，所述储能电容c2输出端还连接保护二极管d2。
8.一种实现权利要求1所述的全自主超低启动电流能量收集间歇电源的电路拓扑，其特征在于，包括设置在交变电场中用于感应电流的导电体，导电体输出端与整流单元输入端链接，储能电容c3和c4串联后接整流单元输出端；连接在储能电容c4输出端的控制单元通过晶体管ts控制储能电容c3向载荷提供给定的电能。
9.根据权利要求8所述的电路拓扑，其特征在于，所述储能电容c3输出端和储能电容c4输出端分别连接有保护二极管ds1和保护二极管d1。
技术总结