一种基于机械开关的DC-DC升压式开关电源电路技术领域
本发明涉及能量采集电路领域，具体为一种DC-DC升压式开关电源电
路，可应用于自启动的、高效的微能量采集电源接口电路。
背景技术
能量采集并非全新的创意，多年前就有人发明了由运动产生能量的手
表。从广义上讲，能量采集包括各种能源来源，比如动能(风、波、重力、
振动等)、电磁能(光、电磁波等)、热能(太阳热能、地热、温度变化、
燃烧等)、原子能(原子核能、放射性衰变等)或生物能(生物燃料、生
物质能等)。
截至目前，成功将能量采集技术商用的领域包括宇宙飞船中的太阳光
电装置、道路设备、和其它建筑控制中的压电应用等。
不过，能量采集正朝新应用领域进军，由于无线与低功耗电子器件的
发展，以及传感器、微电子机械能量系统(MEMS)等组件的不断进步，
引发了能量采集技术的基础性变革。另一方面，建筑物监控、测量工具以
及专门监测建筑物结构状态的所谓“永久性装置”，需要微型能量采集技
术，也催生了这个市场。未来，在一些新兴的大量应用中，将可望应用到
能量采集技术来供电。
首先是无线传感器网络。在没有运用能量采集技术的情况下，目前大
约有90％无线传感器网络设计构想都是不切实际的。在一些大型的网格网
络设计构想中，其网络节点可能会嵌入在数以亿计的建筑、机械装置甚至
是树木中，但却很难为这些节点更换电池，且维护成本高昂，因而大幅降
低了它们的可行性。采用能量采集技术将会解决这个制约无线传感器网络
发展的瓶颈问题，使无线传感器网络有更加广泛的应用。
其次是电力经常快速下降的手机和笔记本计算机电池。事实上，随着
这些装置搭载愈来愈多功能，电力不足的状况也随之恶化。
第三是仿生学(Bionics)和传感器，这部份主要是针对必须在体内装设
这类医疗装置以维持生命的病人。而这也是当前大量生物医学研究工作中
的焦点。
由于应用于人体环境，为了便携性和可穿戴化，以及其他低功耗小尺
寸的无线传感器网络等诸多应用中，俘能器尺寸一般很小。受俘能器输出
电特性影响，目前所讨论的大多数俘能器能源技术所产生的输出电压均小
于0.5V，该输出电压很难启动电源转换器电路，也往往不能使标准集成电
路工艺下的半导体开关正常工作。因此一般需要升压电路来启动能量采集
电路，目前广泛使用的是采用半导体器件作为开关式升压电源来作为启动
电路达到升压的目的。这种技术的问题在于采用半导体器件作为开关器件
需要外部控制供电，当有能量输入的时候，电路不能够自发启动进行能量
采集，同时降低了系统的能量采集效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于机械开关的DC-DC升压式开关电源电
路，可应用于能够自启动、高效的能量采集接口电路，能够解决采用传统
的开关式升压电路需要外部供电，无法自启动的问题，同时提高能量采集
效率。
实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：
一种基于机械开关DC-DC升压式开关电源电路，包括依次串联连接的
俘能器、电感、二极管和电容，其特征在于，该电路中还包括有机械开关，
其一端与二极管正极连接，另一端连接到输出电容的负极，从而与所述二
极管和输出电容形成并联连接，通过所述机械开关的多次导通和断开，使
俘能器输出的能量不断存储到电容，从而使该电容两端电压不断上升，进
而启动后续的能量采集电路。
本发明所提供的一种基于机械开关的DC-DC升压式开关电源电路，在
低电压输入情况下，利用机械开关代替半导体器件，组成升压式开关电源
电路，从而输出较高的电压并启动后续的能量采集电路。
本发明采用通过启动电路升压作用使电路启动。启动电路用一个机械
开关代替功率半导体器件作为开关电源的开关元件。当受到外部振动时
候，机械开关不停关断，通过升压式开关电源把输入的低电压值转化成一
个高电压输出，启动电子电路，然后进行正常的能量采集。本发明专门针
对微能量采集提供了一种全新的解决办法，创新之处在于，相对于传统的
开关式升压电路需要半导体功率器件作为开关，本发明采用机械开关代替
半导体功率器件作为升压式开关电源的开关元件，无需外部电源供电即可
自启动后的高效能量采集。应用这种技术的能量采集电路，能够在超低压
输入的情况下，无需外部供电即可以自启动、高效的进行能量采集。该能
量采集接口电路可以应用于包括热能、太阳能、电磁能和振动能等其他任
何形式的微能量采集。它适用于无线传感器网络节点、医疗装置、及其它
电子产品的自供电或者补充供电电源的启动电路的接口电路。
附图说明
图1为本发明基于机械开关的DC-DC升压式开关电源电路；
图2为本发明开关闭合时启动电路电路图；
图3为本发明开关断开时启动电路电路图；
图4为本发明开关断开时启动电路等效电路图；
图5为本发明输出电压变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的基于机械开关DC-DC升压式开关电源电路包括
俘能器101、电感3、机械开关6、二极管4，以及输出电容5。俘能器101
与电感3、二极管4、电容5串联，同时在二极管和电容两端并联机械开关6。
俘能器101用于俘获环境中的能量，输出到DC-DC升压式开关电源电
路中。在电路分析中采用进行一个电压源1和一个内阻2等效。该俘能器(或
能量采集器)可以为太阳能电池、热电转换器、压电转换器。由于器件尺
寸的限制，该俘能器在实际应用中，输出一个很低的电压值。
电感3用于能量转换，相当于一个“新电源”作用。在机械开关闭合
时候，电感3周围呈现固定的磁力线，存储磁能；机械开关断开时，变化
的磁力线会产生感应电势，给电容5充电。
电容5用于存储能量，作为能量采集电路电源，为其供电。
二极管4用在于防止电容5反向放电。由于二极管4的正向导通，反
向截止的特性，在开关闭合时截止，开关导通瞬间导通。该二极管4也可
以为PMOS、NMOS、PNP、NPN的二极管连结形式。
机械开关6代替传统DC-DC开关式升压电源的半导体功率器件开关，
无需外部供电控制。该机械开关6可以为按键开关、拨动开关、推动开关、
微动开关。
用一个电压源1和一个电阻2模拟俘能器101，电压源输出一个低电
压值。当有外部振动时，机械开关6、二极管4，电感3，电容5共同构
成一个DC-DC升压式开关电源电路。在机械开关6闭合时候，电感3周
围呈现固定的磁力线，电感存储磁能；机械开关6断开时，电路中电流改
变，导致磁力线变化，变化的磁力线会产生感应电势，相当于一个“新电
源”，使二极管4导通，为电容5充电。
经过机械开关数个回合的关断，对电容5充电，使电容5的电压高于
V1时，输出电压驱动能量采集电路开始工作。
下面对启动电路进行定性分析：
当开关闭合时，二级管反向截止，启动电路结构如附图二所示。俘能
器101对电感充电，电能转换成电磁能存储在电感中。由于时间常数L/RT
相对于开关周期值很小，因此经过时间L/RT之后，回路的电流趋于一个
稳定值。其中，L为电感值，RT为俘能器件内阻2。
这个流过电感的电流值如下式：
ION＝VT/RT (1)
其中VT为电压源电压值，RT为俘能器输出电阻。
当开关断开时，电感电流使二极管导通，启动电路结构附图三所示。
此时俘能器输出的电压、电阻对电路影响相对于电感很微弱，可以等效简
化短路代替。
对电路列基尔霍夫KVL方程：
UL(t)+UC(t)+UD＝0 (2)
其中UL(t)为电感两端电压，UC(t)为电容两端电压，UD为PMOS源漏
压降。
由(2)可得：
L di ( t ) dt + 1 C ∫ t 0 t i ( ∂ ) d ∂ + U D = 0 - - - ( 3 ) ]]>
初始条件：
i ( t ) | t = 0 + = I ON = V T / R T - - - ( 4 ) ]]>
U C ( t ) | t = t 1 = 0 - - - ( 5 ) ]]>
解这个齐次微分方程，代入初始条件，得到：
U C ( t ) = U D cos 1 / LC t + V T R T L / C sin 1 / LC t - U D - - - ( 6 ) ]]>
当电压值53高于52，二极管结构PMOS管截止，阻止电容5反向
放电。第一次开关关断之后电容两端电压值：
U P 1 = U D 2 + ( V T R T L / C ) 2 - U D - - - ( 7 ) ]]>
第二次开关关断回合中，电流初值条件不变，电容两端电压初值等于
UP1。代入初值条件解的电容两端电压，得到：
U C ( t ) = U D cos 1 / LC t + 2 V T R T L / C sin 1 / LC t - U D - - - ( 8 ) ]]>
则第二次开关关断回合后，电容两端电压值为：
U P 2 = U D 2 + ( 2 V T R T L / C ) 2 - U D - - - ( 9 ) ]]>
由此递推得到第n次开关关断回合之后，电容两端电压值为：
U Pn = U D 2 + ( n V T R T L / C ) 2 - U D - - - ( 10 ) ]]>
由于电路中电容6作为后续能量采集电路的供电电源，消耗了一部分
电量，故上式作修改的到，每次充电后的电压值为：
U Pn = ( U P ( n - 1 ) + U D ) 2 + ( V T R T L / C ) 2 - U D - - - ( 11 ) ]]>
电容5两端电压作为后续能量采集电路的供电电源，为了使能量采集
电路工作在稳定状态下，因此5两端电压值在正常能量采集情况下，每次
充电回合不应变化太大，同时兼顾自启动时的效率，取每次对5充电后，
电压变化值ΔU。
由工作原理公式推导可得：
ΔU = ( U 1 + U D ) 2 + ( V T / R T L / C ) 2 - U 1 - U D ]]>(12)
其中ΔU为充电前后电压
变化值，兼顾效率和稳定性，ΔU应取一个大小适宜的值；U1为电感对电
容充电时，电容5和二极管4上的压降。
VT为俘能器的输出电压值；RT为俘能器的内阻；C为电容5的值，给
能量采集电路供电，为了电压值稳定，电容值稍微取大点，；L为电路中
电感3的值。根据以上公式，可以根据实际情况的应用，选取合适的参数，
来保证开关式电路的稳定性和效率。图5是电容5两端不接负载情况下，
输出电压变化示意图。
该电路最大的特点在于采用机械开关代替传统的半导体器件开关，作
为开关升压电路的开关元件。无需外部供电的情况下，依靠机械开关在外
部振动下不停闭合，输出一个较高的电压值，使电路能够自启动。因此可
以使该能量采集电路的接口电路，使能量采集电路能够自启动、高效的能
量转换。