CN105262352A - 宽频带压电发电用非线性接口电路及其直流电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带压电发电用非线性接口电路及其直流电压控制方法，电路包括电子开关电路、桥式整流电路、电压控制电路和DC-DC转换电路共四个组成单元，且它们依次电连接。电子开关电路的功能是用于检测振动激励的最大幅值，桥式整流电路的功能是将压电发电输出的交流电转化为直流电，电压控制电路的功能是使整流电容两端电压保持在最优电压附近，DC-DC转换电路的功能是将桥式整流电路输出的直流电压转换为电负载所需的低直流电压。本发明通过电压控制电路使得整流电容两端的电压始终保持在最优电压附近，从而使得在宽频振动条件下该接口电路能保持很高的压电发电转换效率。

Description

宽频带压电发电用非线性接口电路及其直流电压控制方法

技术领域

本发明涉及振动压电发电领域，特别提供一种宽频带压电发电用非线性接口电路及其直流电压控制方法。

背景技术

嵌入式无线传感技术由于具有很强的环境适应性，可工作在高速高温腐蚀环境、装备内部或偏远位置等，近些年来在工业监控、安全监控、智能交通、环保监测、医疗监护等领域得到了广泛应用。但目前无线传感器节点主要还是利用电池或外部电源方式进行供电，尽管在一定应用场合能满足需求，但仍存在诸多缺陷：外部电源布线困难、不易于集成化、安装困难；电池体积较大、使用寿命有限、替换困难、不易嵌入集成等。因此，如何为无线传感器节点持续供电是目前制约嵌入式传感发展和应用的首要技术瓶颈。随着无线传感器节点功耗越来越低，收集环境能量并转化为电能为其提供持久电能正成为一种重要技术途径，其中尤以振动压电发电受到关注最多，这是因为环境中振动普遍存在，且压电发电能量密度高、易于微小化集成。

压电发电输出的是大电压、高阻抗、小电流的交流电，不能直接为负载供电，必须进行交流电到直流电(AC-DC)转换。传统桥式整流电路虽然可以方便地实现AC-DC转换，但缺点是它要求负载阻抗与压电电源输出阻抗匹配，以保证负载上获取最大的能量。而压电发电的输出阻抗很高，难以实现阻抗匹配。针对该问题，近年来基于同步开关的非线性接口电路受到高度关注和广泛应用，其基本思想是当压电振子到达最大振幅位置时闭合开关，此时产生电荷累积最多，之后再通过电感与压电材料寄生电容形成LC振荡回路将累积电荷全部提取出来。非线性接口电路与传统桥式整流电路相比，大大提高了AC-DC的转换效率。

但是，上述非线性接口电路的AC-DC转换效率取决于整流电容电压与最优电压的接近程度。二者越接近则AC-DC转换效率越大。在一些应用场合，环境振动并不是单频的，而是分布在宽频带内，有的甚至是时变的。在这些环境下使用的非线性接口电路的整流电容电压，会随环境振动发生改变，有时会严重偏离该最优电压，造成非线性接口电路AC-DC转换效率大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽频带压电发电用非线性接口电路及其直流电压控制方法，本发明主要解决了现有非线性接口电路在宽频带环境中AC-DC转换效率低的技术问题。

本发明提供一种宽频带压电发电用非线性接口电路，包括：电子开关电路，外接宽频带压电发电结构的输出端，用于检测振动激励的最大幅值；桥式整流电路，用于将宽频带压电发电输出的交流电转化为直流电；电压控制电路，用于调整桥式整流电路中整流电容两端的电压范围为[V_TL,V_TH]，使 为整流电容的最优电压；DC-DC转换电路，用于将桥式整流电路输出的直流电压转换为低直流电压；上述四个组成电路串联电连接。

进一步地，电压控制电路包括与桥式整流电路电连接的施密特触发器模块U₁和耦合于施密特触发器模块的稳压管D₁₁,D₁₂，施密特触发器模块U₁的正阈值为V_TH、反阈值电压为V_TL；稳压管D₁₁,D₁₂，输出端耦合于DC-DC转换电路，用于保证电压控制电路的输出电平不超出DC-DC转换电路允许的电平范围。

进一步地，施密特触发器模块U₁的输入端与桥式整流电路的输出端相连，施密特触发器模块U₁的输出端与稳压管D₁₁,D₁₂相连，同时施密特触发器模块U₁的输出端还与DC-DC转换电路的使能端相连。

进一步地，电子开关电路包括彼此通过电感线圈L串联的振动波峰检测器和振动波谷检测器，振动波峰检测器用于检测振动激励的波峰时刻，包括电容C₁、电阻R₁、二极管D₁,D₂,D₃和三极管T₁,T₂；振动波谷检测器用于检测振动激励的波谷时刻，电容C₂、电阻R₂、二极管D₄,D₅,D₆和三极管T₃,T₄。

进一步地，振动波峰检测器由电容C₁、电阻R₁、二极管D₁,D₂,D₃和三极管T₁,T₂组成，电容C₁的一端与二极管D₁相连接，另一端与电感线圈L相连接，二极管D₁的另一端与电阻R₁相连接，三极管T₁的基极同时与电阻R₁和电容D₃的一端相连接；三极管T₁的发射极分别与二极管D₁和电容C₁的一端相连接，三极管T₁的集电极与二极管D₂的一端相连接，三极管T₂的基极与二极管D₂的一端相连接，三极管T₂的发射极与电感电容L的一端相连接，三极管T₂的集电极与二极管D₃的一端相连接。

进一步地，振动波谷检测器由电容C₂、电阻R₂、二极管D₄,D₅,D₆和三极管T₃,T₄组成，其中：电容C₂的一端与二极管D₄相连接，另一端与电感电容L相连接，二极管D₄的另一端与电阻R₂相连接；三极管T₃的基极分别与电阻R₂和二极管D₄的一端相连接，三极管T₃的发射极分别与二极管D₄和电容C₂的一端相连接，三极管T₃的集电极与二极管D₅的一端相连接，三极管T₄的基极与二极管D₅的一端相连接，三极管T₄的发射极与电感电容L的一端相连接，三极管T₄的集电极与二极管D₆的一端相连接。

进一步地，桥式整流电路包括四个彼此桥式电连接的整流二极管和与整流二极管的输出端电连接的整流电容，整流二极管为导通压降小于0.7伏的肖特基二极管。

进一步地，DC-DC转换电路为DC-DC转换芯片；宽频带压电发电结构由压电材料和弹性基体组成，压电材料为锆钛酸铅压电材料或聚偏氟乙烯压电材料；弹性基体为铝基体或铜基体；压电结构为矩形、梯形、三角形或圆形。

进一步地，所用电能由压电发电产生。

本发明另一方面还提供了一种如上述电路的直流电压控制方法，包括以下步骤：

1)宽频带压电发电输出电压流经电子开关电路和桥式整流电路后，为电压控制电路和DC-DC转换电路供电；2)当桥式整流电路中的整流电容两端输出电压V_rect大于电压控制电路的正向阈值电压V_TH时，DC-DC转换电路启动，整流电容放电使得V_rect减小；当V_rect小于电压控制电路的反向阈值电压V_TL时，DC-DC转换电路关闭，整流电容充电使得V_rect增加；3)整流电容的最优电压处于[V_TL,V_TH]范围内，V_rect始终保持接近

本发明的优点：

本发明提供的宽频带压电发电用非线性接口电路通过在传统非线性接口电路中增加了电压控制电路，从而使得整流电容两端电压保持在最优电压附近，提高了该电路对宽频带压电发电的AC-DC转换效率。

附图说明

现在将参考附图更详细地解释本发明，其中：

图1是本发明的宽频带压电发电用非线性接口电路结构示意图；

图2是本发明宽频带压电发电系统等效电路示意图；

图3是实测V_rect电压波形；

图4是传统非线性接口电路与本发明提供的电路的使用效果对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于宽频振动压电发电的宽频带压电发电用非线性接口电路，包括：电子开关电路，外接宽频带压电发电结构的输出端，用于检测振动激励的最大幅值；桥式整流电路，用于将宽频带压电发电输出的交流电转化为直流电；电压控制电路，用于调整桥式整流电路中整流电容两端的电压范围为[V_TL,V_TH]，使 为整流电容的最优电压；DC-DC转换电路，用于将桥式整流电路输出的直流电压转换为低直流电压；上述四个电路串联电连接。

通过设置电控制电路实现对桥式整流电路中整流电容两端的电压进行控制，使其一直处于最优电路的附近，避免在宽频带环境中容易出现的，由于该电压偏离最优值过远导致的，AD-DC转换效率过低的问题出现。从而提高了非线性接口电路的转化效率。

具体的如图1所示，包括电子开关电路、桥式整流电路、电压控制电路和直流到直流DC-DC转换电路共四个组成部分，且它们依次电连接。

电子开关电路的功能是用于检测振动激励的最大幅值，该电子开关电路也可以为其他常用的电子开关电路结构。优选的，电子开关电路包括彼此通过电感线圈L串联的振动波峰检测器和振动波谷检测器，且两者在结构上对称参见图1。振动波峰检测器用于检测振动激励此处的振动激励可以是振动激励器提供，也可以是环境中的振动激励的波峰时刻，可以包括电容C₁、电阻R₁、二极管D₁,D₂,D₃和三极管T₁,T₂。

优选的，振动波峰检测器由电容C₁、电阻R₁、二极管D₁,D₂,D₃和三极管T₁,T₂组成，其中：电容C₁的一端与二极管D₁相连接，另一端与电感线圈L相连接，二极管D₁的另一端与电阻R₁相连接，三极管T₁的基极同时与电阻R₁和电容D₃的一端相连接；三极管T₁的发射极分别与二极管D₁和电容C₁的一端相连接，三极管T₁的集电极与二极管D₂的一端相连接，三极管T₂的基极与二极管D₂的一端相连接，三极管T₂的发射极与电感电容L的一端相连接，三极管T₂的集电极与二极管D₃的一端相连接。

具体的，振动波谷检测器用于检测振动激励的波谷时刻，可以包括电容C₂、电阻R₂、二极管D₄,D₅,D₆和三极管T₃,T₄。

优选的，由电容C₂、电阻R₂、二极管D₄,D₅,D₆和三极管T₃,T₄组成，其中：电容C₂的一端与二极管D₄相连接，另一端与电感电容L相连接，二极管D₄的另一端与电阻R₂相连接；三极管T₃的基极分别与电阻R₂和二极管D₄的一端相连接，三极管T₃的发射极分别与二极管D₄和电容C₂的一端相连接，三极管T₃的集电极与二极管D₅的一端相连接，三极管T₄的基极与二极管D₅的一端相连接，三极管T₄的发射极与电感电容L的一端相连接，三极管T₄的集电极与二极管D₆的一端相连接。

以实现仅当振动激励到达波峰或者波谷时，电子开关电路才闭合，其它时刻电子开关电路一直是断开的。

桥式整流电路的用于将压电发电输出的交流电转化为直流电，该桥式整流电路也可以为其他常用的桥式整流电路结构。优选的，包括四个彼此桥式电连接的整流二极管D₇,D₈,D₉,D₁₀和与整流二极管的输出端电连接的整流电容C_rect。整流二极管的输入端与电子开关电路的输出端相连，整流电容的另一端接地。整流二极管D₇,D₈,D₉,D₁₀可以为导通压降V_D较小的肖特基二极管。优选的导通压降小于0.7伏，此时可以减小由于二极管导通压降造成的电能损耗。采用该桥式整流电路可以对宽频带压电发电结构输出的交流电进行全波整流输出直流电压。

电压控制电路用于使整流电容两端电压保持在最优电压附近，该电压控制电路也可以为其他常用的电压控制电路结构。优选的，包括施密特触发器模块U₁和与之电连接的稳压管D₁₁,D₁₂，施密特触发器模块U₁的正阈值电压为V_TH，反阈值电压为V_TL。稳压管D₁₁,D₁₂用于保证施密特触发器模块U₁输出电平不超出DC-DC转换电路的允许电平范围。其中：施密特触发器模块U₁的输入端与桥式整流电路的输出端相连，其输出端与稳压管D₁₁,D₁₂相连，同时施密特触发器模块U₁的输出端还与DC-DC转换电路的使能端EN相连。

采用该结构的电压控制电路，可以实现对整流电容两端的电压进行控制，防止其偏离最优电压过多。从而提高了AC-DC转化效率。

DC-DC转换电路用于将桥式整流电路输出的直流电压转换为电负载所需的低直流电压为3.3～5伏，该DC-DC转换电路也可以为其他常用的DC-DC转换电路。优选的，可采用低功耗DC-DC转换芯片的市售产品。DC-DC转换电路U₂的输出端用于输出电压。其中：DC-DC转换电路U₂的C_out的一端与DC-DC转换电路U₂的输出端相连，另一端接地；DC-DC转换电路U₂的输入端与桥式整流电路的输出端相连。

用于宽频带压电发电的压电结构由压电材料和弹性基体组成；压电材料为锆钛酸铅压电材料或聚偏氟乙烯压电材料，弹性基体为铝基体或铜基体；压电结构为矩形、梯形、三角形或圆形。采用该结构的压电发电材料其自供电效果较好。

本发明另一方面还提供了一种上述电路的直流电压控制方法，该方法包括以下步骤：

1)宽频带压电发电输出电压流经电子开关电路和桥式整流电路后，为电压控制电路和DC-DC转换电路供电；

2)当桥式整流电路中的整流电容两端输出电压V_rect大于电压控制电路的正向阈值电压V_TH时，DC-DC转换电路启动，整流电容放电使得V_rect减小；

当V_rect小于电压控制电路的反向阈值电压V_TL时，DC-DC转换电路关闭，整流电容充电使得V_rect增加；

3)整流电容的最优电压处于[V_TL,V_TH]范围内，V_rect始终保持接近

采用上述步骤可以避免整流电容两端输出电压过于偏离最优值导致的AC-DC转换效率下降的问题。

本发明提供的上述宽频带压电发电用非线性接口电路工作原理如下：

为便于阐述，假设振动源为正弦激励形式，压电发电结构可以等效为由i_eq、C_p和R_p构成的电流源，此时振动压电发电系统的等效电路图如图2所示，以一个振动周期为例，1)当压电结构振动位移向波峰方向运动时，电容C₁一直被充电，此时三极管T₁截止导致三极管T₂也截止；一旦压电结构振动位移经过波峰向波谷方向运动时，压电发电结构输出电压将小于电容C₁两端电压，此时三极管T₁导通，电容C₁通过T₁放电从而使三极管T₂也导通，压电材料等效电容C_p、压电材料等效电阻R_p和电感L组成RLC振荡回路，使得压电发电结构输出电压V_p极性产生反转；随着压电结构振动位移继续波峰向波谷方向运动，压电发电结构输出电压继续减小，电容C₂一直被充电，此时三极管T₃截止导致三极管T₄也截止；一旦压电结构振动位移经过波谷向波峰方向运动时，此时三极管T₃导通，电容C₂通过T₃放电从而使三极管T₄也导通，压电材料等效电容C_p、压电材料等效电阻R_p和电感L组成RLC振荡回路，使得压电发电结构输出电压V_p极性再次产生反转，且该RLC振荡回路会进一步增加V_p的幅值，上述电压V_p极性反转过程在每一个振动周期重复出现。2)在上述电压V_p变化过程中，当|V_p|大于整流二极管导通压降(2V_D)时，桥式整流电路导通，此时压电发电结构输出电压对整流电容C_rect进行充电，电容C_rect两端的直流电压V_rect不断增加，当V_rect大于电压控制电路正向阈值电压V_TH时，U₁输出高电平使U₂启动，整流电容C_rect的电能转移到输出电容C_out上，此时V_rect会减小；当V_rect小于电压控制电路反向阈值电压V_TL时，U₁输出低电平使U₂关闭，整流电容C_rect重新被充电使得V_rect再次增加，从而使得V_rect电压始终处于[V_TL,V_TH]范围内。3)当振动激励频率和幅值一定时，存在一个最优的V_rect值使得宽频带压电发电用非线性接口电路的AC-DC转换效率最大；而在宽频振动条件下V_rect是在变化的，但只要使得位于[V_TL,V_TH]区间内，则宽频带压电发电用非线性接口电路仍能维持很高的AC-DC转换效率。

采用本发明应用于宽频振动压电发电具有如下有益效果：一是通过控制整流电容电压在最优电压附近，可以大大提高宽频振动条件下压电发电的AC-DC转换效率；二是自主供电，无需外部电源。

具体使用说明：本发明的宽频带压电发电用非线性接口电路如图1所示，其中C₁＝C₂＝1nF，R₁＝R₂＝200kΩ，L＝50mH，C_rect＝100μF，C_out＝4.7mF，D₁～D₁₀采用低导通压降的肖特基二极管(V_D＝0.6伏)，T₁～T₆采用低导通电压的三极管(此处的低导通电压是指导通电压＜1.0伏)，D₁₀,D₁₁采用5伏稳压管，U₁采用施密特触发器模块集成芯片，U₂采用DC-DC转换集成芯片；压电材料采用压电陶瓷PZT-5H片，基体材料为铝；压电发电结构形状为矩形，实际测得其等效电容C_p＝62nF、等效电阻R_p＝3MΩ。

当振动激励频率为38.7Hz时，压电发电结构的开路电压约为V_oc＝10伏，此时根据下式计算得到最优的整流电容两端电压值为4伏。

$V_{rect}^{opt}=\frac{V_{oc}}{(1-e^{-\mathrm{\π}/2Q})}-V_D$

其中Q是C_p、R_p和L组成RLC振荡回路的品质因子，e是自然指数，π是圆周率。

接下来，振动激励频率在[35Hz,45Hz]频带内变化，设置电压控制电路的正向阈值电压为V_TH＝4.8伏，反向阈值电压为V_TL＝3.6伏，使得上述最优电压位于[V_TL,V_TH]区间内。

最后对上述振动压电发电系统进行实验测试，获得的整流电容两端电压V_rect波形如图3所示，可见V_rect控制在[V_TL,V_TH]区间内，避免了偏离最优电压过多的问题。进一步将上述压电发电结构与传统非线性接口电路连接，在上述相同宽频振动激励下，分别测得传统非线性接口电路和本发明电路的输出电能，所得结果如图4所示。由图4可见本发明电路的输出电能明显高于现有技术中电路，说明本发明提供的电路可以有效的提高电能转化率。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (10)

1.一种宽频带压电发电用非线性接口电路，其特征在于，包括：

电子开关电路，外接所述宽频带压电发电结构的输出端，用于检测振动激励的最大幅值；

桥式整流电路，用于将所述宽频带压电发电输出的交流电转化为直流电；

电压控制电路，用于调整所述桥式整流电路中整流电容两端的电压范围为[V_TL,V_TH]，使所述为所述整流电容的最优电压；

DC-DC转换电路，用于将所述桥式整流电路输出的直流电压转换为低直流电压；

上述四个组成电路串联电连接。

2.根据权利要求1所述的宽频带压电发电用非线性接口电路，其特征在于，所述电压控制电路包括与所述桥式整流电路电连接的施密特触发器模块U₁和耦合于所述施密特触发器模块的稳压管D₁₁,D₁₂，所述施密特触发器模块U₁的正阈值为V_TH,反阈值电压为V_TL；

所述稳压管D₁₁,D₁₂，输出端耦合于所述DC-DC转换电路，用于保证所述电压控制电路的输出电平不超出所述DC-DC转换电路允许的电平范围。

3.根据权利要求2所述的宽频带压电发电用非线性接口电路，其特征在于，所述施密特触发器模块U₁的输入端与所述桥式整流电路的输出端相连，所述施密特触发器模块U₁的输出端与所述稳压管D₁₁,D₁₂相连，同时所述施密特触发器模块U₁的输出端还与所述DC-DC转换电路的使能端相连。

4.根据权利要求1所述的宽频带压电发电用非线性接口电路，其特征在于，所述电子开关电路包括彼此通过电感线圈L串联的振动波峰检测器和振动波谷检测器，

所述振动波峰检测器用于检测振动激励的波峰时刻，包括电容C₁、电阻R₁、二极管D₁,D₂,D₃和三极管T₁,T₂；

所述振动波谷检测器用于检测振动激励的波谷时刻，电容C₂、电阻R₂、二极管D₄,D₅,D₆和三极管T₃,T₄。

5.根据权利要求4所述的宽频带压电发电用非线性接口电路，其特征在于，所述振动波峰检测器由电容C₁、电阻R₁、二极管D₁,D₂,D₃和三极管T₁,T₂组成，所述电容C₁的一端与所述二极管D₁相连接，另一端与所述电感线圈L相连接，所述二极管D₁的另一端与所述电阻R₁相连接，所述三极管T₁的基极同时与所述电阻R₁和所述电容D₃的一端相连接；所述三极管T₁的发射极分别与所述二极管D₁和所述电容C₁的一端相连接，所述三极管T₁的集电极与所述二极管D₂的一端相连接，所述三极管T₂的基极与所述二极管D₂的一端相连接，所述三极管T₂的发射极与所述电感电容L的一端相连接，所述三极管T₂的集电极与所述二极管D₃的一端相连接。

6.根据权利要求4所述的宽频带压电发电用非线性接口电路，其特征在于，所述振动波谷检测器由电容C₂、电阻R₂、二极管D₄,D₅,D₆和三极管T₃,T₄组成，其中：所述电容C₂的一端与所述二极管D₄相连接，另一端与所述电感电容L相连接，所述二极管D₄的另一端与所述电阻R₂相连接；所述三极管T₃的基极分别与所述电阻R₂和所述二极管D₄的一端相连接，所述三极管T₃的发射极分别与所述二极管D₄和所述电容C₂的一端相连接，所述三极管T₃的集电极与所述二极管D₅的一端相连接，所述三极管T₄的基极与所述二极管D₅的一端相连接，所述三极管T₄的发射极与所述电感电容L的一端相连接，所述三极管T₄的集电极与所述二极管D₆的一端相连接。

7.根据权利要求3所述的宽频带压电发电用非线性接口电路，其特征在于，所述桥式整流电路包括四个彼此桥式电连接的整流二极管和与所述整流二极管的输出端电连接的整流电容，所述整流二极管为导通压降小于0.7伏的肖特基二极管。

8.根据权利要求3所述的宽频带压电发电用非线性接口电路，其特征在于，所述DC-DC转换电路为DC-DC转换芯片；所述宽频带压电发电结构由压电材料和弹性基体组成，所述压电材料为锆钛酸铅压电材料或聚偏氟乙烯压电材料；所述弹性基体为铝基体或铜基体；所述压电结构为矩形、梯形、三角形或圆形。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的宽频带压电发电用非线性接口电路，其特征在于，所用电能由压电发电产生。

10.一种权利要求1～9任一项所述宽频带压电发电用非线性接口电路的直流电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)宽频带压电发电输出电压流经电子开关电路和桥式整流电路后，为所述电压控制电路和DC-DC转换电路供电；

2)当所述桥式整流电路中的整流电容两端输出电压V_rect大于所述电压控制电路的正向阈值电压V_TH时，DC-DC转换电路启动，所述整流电容放电使得V_rect减小；

当所述V_rect小于所述电压控制电路的反向阈值电压V_TL时，所述DC-DC转换电路关闭，所述整流电容充电使得V_rect增加；

3)所述整流电容的最优电压处于[V_TL,V_TH]范围内，所述V_rect始终保持接近