CN103607138A - 一种自供电式非线性压电振动能量提取电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自供电式非线性压电振动能量提取电路，包括用于收集压电材料由于应变产生的电荷并将其转换为直流电输出给外界负载供电的非线性能量提取电路模块；用于检测压电材料表面的电荷极值，并发出控制信号以控制非线性能量提取电路的通断的极值检测电路模块；和向非线性能量收集电路模块和极值检测电路模块中低功耗电子器件供电的供电电路模块。本发明提出的非线性能量提取电路回收功率相比标准电路得到极大的提高，并且具有很高的输出电压，可匹配多种电源管理方式，对于无线网络式传感节点的供电具有广泛的应用前景。

Description

一种自供电式非线性压电振动能量提取电路

技术领域

本发明涉及一种提取振动能量的电路，尤其涉及一种利用压电材料对环境振动能量提取的自供电式电路。

 

背景技术

目前，无线系统和微功耗的电子设备已在日常生活中得到广泛运用，随着微功耗电子元器件的进一步发展，无线网络式传感系统也广泛应用于各种监测系统，例如对大型机械设备、高速交通工具、野外生态环境、道路、桥梁、水库等大型建筑物进行监测，提高设备运行可靠性，降低维护费用。然而，目前绝大多数无线传感器节点仍采用电池供电，由于电池工作寿命有限，导致无线传感节点不易于安装且需要定期更换电池，在很大程度上增加了设备运行维护费用，并且大量的使用电池，也给环境带来了很大污染。因此，开发一种新型供电电源成为解决这一问题的有效方案而被逐渐提上日程。另外，无线传感网络的低功耗化进一步驱动了对开发新的能源系统的研究，由于节点的功耗极低，外界坏境中存在多种类型的能量满足节点的能量消耗。

自然环境中存在着太阳能、温差能、振动能等多种形式的能量，然而太阳能和温差能的功能技术受到自然环境的制约而难以广泛应用，而从机械振动中获取能量被证明是切实可行的。目前将振动能转化成电能一般采用三种方法：电磁式、静电式和压电式。由于压电式能量回收系统的输出功率较大，体积小，易于器件的小型化和集成化，对电子器件不产生电磁干扰，因此国内外许多研究机构和学者们都对压电式能量回收系统展开了研究。

对于压电式能量回收系统的研究主要集中在三个方面：材料、结构和接口电路。压电材料主要有压电单晶、压电陶瓷、聚偏氟乙烯等。能量回收结构的设计包括单层、多层压电能量回收装置，压电叠堆等等。而接口电路方面，目前主要有多种典型应用接口电路：其中最简单经典的接口电路为一个二极管全波整流电桥和一个滤波电容组成，但是这种接口电路不仅回收功率低下，并且回收的功率受负载阻抗的影响非常大。为解决这一问提。许多开关类型的非线性能量提取电路被提了出来。主要有同步开关电感回收（SSHI）电路、同步电荷提取（SECE）电路、优化型同步电荷提取（OSECE）电路、双同步开关电感回收（DSSH）电路、增强型双同步开关电感回收（ESSH）电路等。这些开关类型的电路均是通过控制模拟开关的通断，在压电元件上电荷积累至极大值时，使能量采集电路导通，一次性将电荷全部提取至储能电路，大大提高了能量回收的效率。然而SSHI电路回收功率仍然受负载阻抗的影响较大，而SECE、OSECE、DSSH、ESSH电路很好地解决了这一问题，其回收功率与负载无关，能很好地满足能量回收实际应用的需要。但是SECE电路要求开关闭合时间在微秒级别并且要求非常精确，在实际应用中很难实现不依靠外界供电而独立工作，OSECE电路在SECE电路的基础上，优化了其开关控制策略，使得电路中模拟开关的控制变得简单易行，并且给出了低功耗的自供电方案，使SECE电路成为简单、高效、独立的能量收集系统。DSSH电路在很大程度上提高了电路回收功率，但是该电路复杂的开关控制系统使得其只在外界提供电源的DSP控制系统中才能实现。ESSH电路的提出解决了DSSH电路实现自供电这一关键技术难题，使得该能量回收电路距离实际应用迈出了关键一步。然而ESSH电路复杂的供电系统和能源管理系统使得该电路最终输出电压只能保持在一个较低的范围之内。

 

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种自供电式的压电振动能量提取电路。该电路能够高效回收环境振动能量，克服了以往能量收集电路输出功率随负载变化而变化的缺点。同时，该电路优化了以往电路的供电模式，使得该电路可以不依靠外界电源供电而独立工作，并且该电路最终输出功率和输出电压也得到进一步提高。可广泛用于无线传感器网络节点及其他微功耗电子器件的供电。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的自供电式非线性压电振动能量提取电路包括：

用于收集压电材料由于应变产生的电荷并将其转换为直流电输出给外界负载供电的非线性能量提取电路模块；

用于检测压电材料表面的电荷极值，并发出控制信号以控制非线性能量提取电路的通断的极值检测电路模块；

和向非线性能量收集电路模块和极值检测电路模块中低功耗电子器件供电的供电电路模块。

其中，所述非线性能量提取电路用于收集粘贴于外界振动结构表面的压电材料由于应变产生的电荷，并将其转换为直流电输出给外界负载供电，使得整个能量收集系统成为不需依靠外界电源的独立工作系统，满足一般无线传感器网络及微功耗电子设备的供电要求。

更进一步地，所述的非线性能量提取电路模块包括第一压电元件，第一、第二、第三模拟开关，第三、第四、第五、第六二极管，第一、第二储能电容，阈值控制电路、电感和升压/降压转换器，其中， 所述的第一压电元件第一端通过电感与第一模拟开关第一端连接，第一模拟开关第二端连接于第三二极管正极和第四二极管负极之间；第一压电元件第二端连接于第五二极管正极和第六二极管负极之间；所述第一储能电容第一端与第五二极管负极连接，第二端与第六二极管正极连接；第一储能电容第一端通过第二模拟开关与升压/降压转换器原边的阳极连接，升压/降压转换器原边的阴极与第一储能电容第二端连接；升压/降压转换器副边的阳极通过第七二极管与第二储能电容的阳极相连，副边的阴极与第二储能电容的负极相连；所述的阈值控制电路检测所述第一储能电容上的电压信号，并向第三模拟开关发出驱动信号，所述阈值控制电路由一个低功耗的第五电压比较器实现；其中所述第一、第二模拟开关分别用于控制所述非线性能量提取电路的通断，当所述非线性能量提取电路导通时，可提取第一压电元件由于环境振动而产生的电荷并通过所述四个整流二极管将交流电压整流为直流，存储于第一储能电容。所述阈值控制电路用于检测所述第一储能电容上的电压信号，当第一储能电容上的电压高于一定值时，由阈值控制电路产生对于第三模拟开关的驱动信号,使得第一储能电容上能量通过所述升压/降压转换器转移至第二储能电容。所述升压、降压转换器其实质是一个高品质因数的单端反激式变压器，包括一个原边线圈和一个副边线圈。其原边线圈的阳极和第一储能电容的正极相连，原边线圈的阴极和第一储能电容的负极相连，副边线圈的阳极通过第七二极管与第二储能电容的阳极相连，副边线圈的阴极与第二储能电容的负极相连。由第二储能电容上的电压对外界负载供电。

具体地，第一模拟开关由第一P型场效应管组成，第一场效应管的集电极与第五二极管的正极连接，第五二极管的负极与第三二极管的正极连接。第一场效应管的发射级与“地”端连接。第二模拟开关由第二P型场效应管组成，第二P型场效应管的集电极与第六二极管的正端连接，第六二极管的负极与第四二极管的正极连接。第二场效应管的发射集也与“地”端连接。第一储能电容的正极与第三、第四二极管的负极连接，同时第一储能电容的正极与第五电压比较器的输入端相连，第一储能电容的负极与“地”端连接。第三模拟开关由第三、第四场效应管组成，第三场效应管是一个N型场效应管，其发射集与“地”端相连，基极与第五电压比较器的输出端相连，集电极与第四P型场效应管的基极相连，第四场效应管的发射集与第一储能电容和第六电阻的正极相连，第六电阻的负极与第四场效应管的基极相连，第四场效应管的集电极与单端反激式变压器的原边线圈的正极相连，原边线圈的负极与“地”相连。单端反激式变压器的副边线圈的正极与“地”端相连，负极与第七二极管的正极相连，第七二极管的负极与第二储能电容的正极相连，第二储能电容的负极与“地”相连。所述阈值控制电路包括第五电压比较器和第七、第八、第九、第十、第十一电阻和第七电容。第五电压比较器的正向电源输入端V+与第一储能电容的正极相连，负向电源输入端V-与GND端与“地”相连。第七电阻的正极与第五电压比较器的REF端相连，负极与第七电容的正极相连，第七电容的负极与“地”端相连。第八电阻的正极也与第五电压比较器的REF端相连，负极与HYST端相连，第九电阻的正极与第五电压比较器的HYST端相连，负极与地端相连。第十电阻的正极与第一储能电容的正极相连，负极与第五电压比较器的同相输入端相连，第十一电阻的正极与第五电压比较器的同相输入端相连，负极与“地”端相连。当阈值控制电路检测到第一储能电容上的电压超过一定值时，发出开关驱动信号将第三模拟开关闭合，储存在第一储能电容上的电能转移至单端反激式变压器的原边线圈。当第一储能电容上的电压低于一定值时，由阈值控制电路发出控制信号将第三模拟开关断开，此时存储在反激式变压器原边线圈上的电能经副边互感线圈转移至第二储能电容存储。

所述的极值检测电路模块包括第二压电元件、输入信号调理模块、低通滤波模块和电压比较模块，其中，输入信号调理模块由第一、第二电阻和第一电压跟随电路组成，低通滤波模块由第三可调电阻、第六电容和第二运算放大器组成，电压比较模块由第三、第四运算放大器组成；第二压电元件的电压信号经过所述信号调理模块将电压信号幅值调理后，再将该信号经过所述低通滤波模块，将原信号与经过低通滤波的信号经过所述电压比较模块进行比较，向第一、第二模拟开关输出控制信号；该极值检测模块可以实时检测压电材料表面产生的电荷，当检测到压电材料表面电压到达极大（极小）值时，极值检测电路分别产生电压信号驱动所述非线性能量提取电路的第一/第二模拟开关闭合，使得非线性能量提取电路导通，能量收集过程开始。当压电材料上的电荷量低于第一储能电容上的电压时，非线性能量提取电路断开，能量收集过程停止。具体地，第一电压跟随器的反相输入端与输出端相连，由信号调理模块输出的信号分为两路，一路经由低通滤波模块输入第三运算放大器的同相输入端，一路直接输入第三电压比较器的反向输入端。所述低通滤波模块由第三可调电阻、第六电容、第四、第五电阻、第二电压运算放大器组成。第三可调电阻的正极与第一电压跟随器的输出端相连，第三可调电阻的调节端与第二电压运算放大器的同相输入端相连。第六电容的正极与第二电压运算放大器的同相输入端相连，第六电容的负极与“地”端相连。第二运算放大电路的反相输入端与第四电阻的正端相连，第四电阻的负端与“地”相连，同时第二运算放大电路的反相输入端经由第五可调电阻与第二运算放大器的输出端相连。第二运算放大电路的输出端与第三电压比较器的同相输入端相连。第三运算放大器的输出分为两路，一路与第一场效应管的基极相连，用以驱动第一模拟开关，另一路与第四运算放大器的反相输入端相连。第四运算放大器的同相输入端与“地”端相连，输出端与第二场效应的基极相连，用以驱动第二场效应管。当第二压电元件上的电压达到极小值时，极值检测电路中第三电压比较器输出的信号驱动第一模拟开关闭合，使能量提取电路中的第一压电元件、电感、第四、第五二极管、第一储能电容组成LC振荡电路，将压电元件上的电荷提取至第一储能电容。当第二压电元件上的电压达到极大值时，极值检测电路中第四运算放大器输出的信号驱动第二模拟开关闭合，使能量提取电路中的第一压电元件、电感、第三、第六二极管、第一储能电容组成LC振荡电路，将压电元件上的电荷提取至第一储能电容。

所述的自供电电路包括第三压电元件、第一、第二二极管和第三、第四、第五电容，所述第三压电元件上的交流电压经过第一、第二二极管半波整流，再经过第三、第四、第五电容低通滤波以后，在第三电容的阳极形成正向直流电压，在第五电容的阴极形成负向直流电压，向电路自身供电。

该发明的技术方案优化了DSSH电路中的开关控制策略，对于第三模拟开关的控制，DSSH技术将第三模拟开关闭合直至第一储能电容上的电荷全部被提取，而本技术方案只将第一储能电容上的大部分电荷提取，大大提高了能量提取密度。本技术方案将DSSH中的第二电感用反激式变压器代替，这样确保了第一储能电容与第二储能电容的“地”端为同一端，实现了第一储能电容、第二储能电容及负载“共地”，保证了DSSH自供电电路的实现，克服了以往DSSH电路只能在由外界供电的DSP系统中才能实现的缺点。

有益效果：

本发明的基于压电材料的自供电式能量回收电路具有以下有益效果：

    （1）本发明提出的非线性能量提取电路回收功率相比标准电路得到极大的提高，并且具有很高的输出电压，可匹配多种电源管理方式，对于无线网络式传感节点的供电具有广泛的应用前景。

（2）该能量提取电路的回收功率不随负载阻抗的变化而变化，因此该电路的应用相对独立于运行负载，即在较宽的负载阻抗变化范围内均能取得较为理想的输出功率，从而保证被供电系统长期稳定地运行。

（3）该发明技术中的电子元件均由微功耗器件实现，电路本身功耗非常低，并且电路各个微功耗电子器件均由电路本身收集的能量为其提供供电，该能量回收系统本身能够快速、独立、稳定地工作，符合能量回收实际应用环境的基本特征，对于振动环境中的无线传感节点的供电具有广泛的应用前景。

 

附图说明

图1是本发明自供电式非线性压电振动能量提取电路的系统示意图；

图2是自供电式非线性能量提取电路模块的原理图；其中，PZT为第一压电元件，Cint为第一储能电容，Cs为第二储能电容，S1包括第一、第二模拟开关，S2为第三模拟开关，L1为外接电感，L2、L3为反激式变压器的原边线圈及副边线圈，RL为外接负载电阻；

图3是本发明自供电式非线性压电振动能量提取电路的一个实施例的电路示意图；

图4是本发明一个实施例的最终回收功率与标准电路和同步开关电感回收电路输出功率的比较示意图；

图5(a)和（b）分别是本发明的电路在实际应用中与标准电路相比输出功率与输出电压随负载的变化，其实验条件是在悬臂梁式压电振动发电结构单模态恒定振幅的振动。

 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。

如图1所示，本实施例的一种自供电式非线性压电振动能量提取电路包括非线性能量提取及能量存储模块、极值检测模块、自供电电路模块组成。其中，所述非线性能量提取电路模块包括第一压电元件PZT1、电感L1、开关S1（包括第一、第二模拟开关）、开关S2（第三模拟开关）、电荷提取电路模块、阈值控制电路模块（输出对开关SW2的控制信号）、反激式变压器（包括原边线圈L2、副边线圈L3）、储能电路。所述极值检测电路模块包括由第二压电元件PZT2构成的压电信号传感单元和极值检测电路，能够实时监测压电元件上的电压信号，输出对开关SW1的控制信号。所述自供电电路模块包括第三压电元件PZT3和供电电路，该模块提供极值检测电路中的电子元件所消耗的电能。

如图2、图3所示，非线性能量提取过程分为初次能量提取及二次能量提取过程。由粘贴在振动结构表面的第一压电元件PZT1、外界电感L1、第三、第四、第五、第六整流二极管D3、D4、D5、D6，以及第一储能电容C1和第一、第二模拟开关Q1、Q2组成初次能量提取模块。当第一压电元件PZT1上下表面间电压达到极大值时，将第二模拟开关Q2闭合，由PZT1、L1、D3、D6、C1组成闭合LC电磁振荡回路，在经历二分之一个振荡周期后，压电元件的电荷转移至第一储能电容C1，第一压电元件上的电压与开关闭合前反向，由于第三二极管D3、第六二极管D6的存在，此时这一LC回路断开，完成了能量提取电路的单次电荷提取。同样当压电元件上下表面间电压达到极小值时，将第一模拟开关Q1闭合，由PZT1、L1、D4、D5、C1组成闭合LC电磁振荡回路，压电元件的电荷转移至第一储能电容C1上。其中第一、第二模拟开关均由P型场效应管实现，对于第一、第二模拟开关的控制信号由极值检测电路输出。当每次由第一压电元件至第一储能电容的能量转移完成后，就开始二次能量提取过程。二次能量提取模块包括第三模拟开关Q3、第六电阻R6、阈值控制电路（包括滞回电压比较器U5，电阻R7、R8、R9、R10、R11，电容C7）、单端反激式变压器（包括初级线圈L2、次级线圈L3）、第二储能电容C2、第七二极管D7、负载电阻R12。其中第三模拟开关由第三N型场效应管和第四P型场效应管组成。将第一储能电容上的电压信号输入到滞回电压比较器U5的输入端，当检测到C1上的电压高于一定值VH时，由U5的输出端输出控制信号驱动第三模拟开关Q3闭合，由第一储能电容C1和反激式变压器的初级线圈L2构成LC振荡回路，将C1上的能量转移至L2。当电压比较器U5检测到C1上的电压低于一定值VL时，由U5的输出端输出控制信号驱动第三模拟开关Q3断开，此时反激式变压器的副边线圈L3上便有感应电流出现，将L2上存储的电能通过L3及二极管D7转移至第二储能电容C2上。

极值检测模块由第一电阻R1、第二电阻R2构成信号传感及幅值调理模块，将粘贴在振动结构表面的第二压电元件上的电压信号经过幅值处理，调理至第一电压比较器U1的输入的信号允许范围后输入第一电压比较器的同相输入端，第一电压比较器U1实质为一个电压跟随器，其输出端与反向输入端相连。将第一电压比较器U1输出的信号分为两路，一路直接输入第三电压比较器的反相输入端，另一路经过第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电容C6及第二电压比较器U2组成的低通滤波模块，将第二电压比较器U2的输出端与第三电压比较器的同相输出端相连，经过第二电压比较器U2后输出的信号相比第一电压比较器U1输出的信号有一定程度的相位滞后现象，将这两路信号由第三电压比较器做比较，即可在输出第一模拟开关Q1的控制信号。再将第三电压比较器U3的输出端与第四电压比较器U4的反向输入端相连，第四电压比较器U4的同相输入端与“地”端相连。第四电压比较器实质上是一个反相器，其输出与第三电压比较器U3相反的信号，用于控制第二模拟开关Q2的闭合与断开。

本实施例中自供电电路模块将第三压电元件PZT3上的交流电压经过第一二极管D1、第二二极管D2进行半波整流，再经过第三电容C3、第五电容C5进行低通滤波以后，可将直流电能存储于第四电容C4上。在第四电容C4的阳极形成正向直流电压，在第四电容C5的阴极形成负向直流电压，由上述两路直流电压对极值检测电路中的低功耗电子器件供电。

Claims (2)

1.一种自供电式非线性压电振动能量提取电路，其特征在于，包括：

用于收集压电材料由于应变产生的电荷并将其转换为直流电输出给外界负载供电的非线性能量提取电路模块；

用于检测压电材料表面的电荷极值，并发出控制信号以控制非线性能量提取电路的通断的极值检测电路模块；

和向非线性能量收集电路模块和极值检测电路模块中低功耗电子器件供电的供电电路模块。

2.如权利要求1所述的自供电式非线性压电振动能量提取电路，其特征在于，

所述的非线性能量提取电路模块包括第一压电元件，第一、第二、第三模拟开关，第三、第四、第五、第六二极管，第一、第二储能电容，阈值控制电路、电感和升压/降压转换器，其中， 所述的第一压电元件第一端通过电感与第一模拟开关第一端连接，第一模拟开关第二端连接于第三二极管正极和第四二极管负极之间；第一压电元件第二端连接于第五二极管正极和第六二极管负极之间；所述第一储能电容第一端与第五二极管负极连接，第二端与第六二极管正极连接；第一储能电容第一端通过第二模拟开关与升压/降压转换器原边的阳极连接，升压/降压转换器原边的阴极与第一储能电容第二端连接；升压/降压转换器副边的阳极通过第七二极管与第二储能电容的阳极相连，副边的阴极与第二储能电容的负极相连；所述的阈值控制电路检测所述第一储能电容上的电压信号，并向第三模拟开关发出驱动信号；

所述的极值检测电路模块包括第二压电元件、输入信号调理模块、低通滤波模块和电压比较模块，其中，输入信号调理模块由第一、第二电阻和第一电压跟随电路组成，低通滤波模块由第三可调电阻、第六电容和第二运算放大器组成，电压比较模块由第三、第四运算放大器组成；第二压电元件的电压信号经过所述信号调理模块将电压信号幅值调理后，再将该信号经过所述低通滤波模块，将原信号与经过低通滤波的信号经过所述电压比较模块进行比较，向第一、第二模拟开关输出控制信号；所述的自供电电路包括第三压电元件、第一、第二二极管和第三、第四、第五电容，所述第三压电元件上的交流电压经过第一、第二二极管半波整流，再经过第三、第四、第五电容低通滤波以后，在第三电容的阳极形成正向直流电压，在第五电容的阴极形成负向直流电压，向电路自身供电。

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