【应用电路】机电开关能量收集电路

鸣涧

【应用电路】机电开关能量收集电路


       机电开关是将机械能转换为电能的装置，它由发电线圈，磁性材料和机械转动三部分构成，根据电磁感应发电原理，机电开关下压和回弹动作切割磁力线会产生电能，能量收集电路就是将这些电能储存在输入电容上，通过电源稳压电路，输出一个稳定的直流电压给负载供电。
    机电能量收集技术的典型应用是无线动能门铃市场，无线动能门铃包括发射端和接收端两部分，发射端的机电开关内置发电线圈，利用电磁感应原理，把动能转化为电能，为电源稳压电路和无线发射芯片供电，通过天线发射无线指令信号，接收端收到无线信号后，发出铃响。
    由于机电开关下压和回弹的动作，使得切割磁感线的方向不同，从而会产生极性不同的单脉冲电压，为了提高能量收集效率，所以需要一个桥式整流电路，先将机电开关下压所产生的能量储存在电容上，等机电开关回弹时，将回弹产生的能量和原来下压存储的能量合并，然后再转换为合适的输出电压给无线发射芯片供电。具体电路如下图所示：
                              
      电路工作原理和流程如下：
      整流电路由四个肖特基二极管D1~D4组成，其中D1,D2组成一路半波整流电路，将机电开关下压产生的能量存储再输入滤波电容C_down里面，得到直流电压vdd_down。D3,D4组成另一路半波整流电路，将机电开关弹起产生的能量存储再输入滤波电容C_up里面，得到直流电压vdd_up。每一路整流输出都包含一个输入过压保护电路，防止过高的输入电压损坏内部电路。
      如图所示，vdd_up的电源电压检测电路由一个迟滞比较器构成，当vdd_up电压大于比较器阈值电压时，电压检测电路输出en="1" ，使能电源稳压电路（LDO或者BUCK），输出一个合适的电压vcc给无线发射芯片供电。当vdd_up电压小于比较器阈值电压时，电压检测电路输出en="0", 休眠电源稳压电路，输出电压vcc会逐渐下降到0 。
      两路能量合并的逻辑关系如下：
      当机电开关下压，产生的能量由D1,D2整流对滤波电容C_down充电，vdd_down电压逐渐升高，而vdd_up没有电压，那么电源检测电压电路的输出en=0,电源稳压电路不使能，输出电压vcc=0, vcc 控制NMOS管NM2的栅极，那么NM2的漏极输出高电平，经过缓冲驱动器连接到合并开关PM的栅极，因为PMOS管PM的栅极和源极都为高电平vdd_down, 此时PM管断开，从而保证机电开关下压所产生的能量全部存储再电容C_down里面。
      当机电开关回弹，产生的能量由D3,D4整流对滤波电容C_up充电，vdd_up电压逐渐升高，当vdd_up电压大于比较器阈值电压时，使能电源稳压电路，输出电压vcc为高电平，经过由NMOS管NM2和R构成的电平转换反相器，NM2的漏极输出低电平，经过缓冲驱动器驱动低电平输出到合并开关PM的栅极，此时PM闭合，PM的源极和漏极导通。此时，存储在C_down中的能量与存储在C_up的能量通过开关PM的导通合并，能量合并后再由电源稳压电路输出vcc,给无线发射芯片供电。