CN105490563B - 一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器，包括两个有源二极管、两个电容、一个电感、一个开关、一个电压过零检测及数字电路控制模块。其中一对有源二极管在压电端输出电流的驱动下，自动完成互补带死区时间的导通/截止操作，一旦二极管检测到流经的电流从正到负的过零点，该二极管被关断，另一个二极管被打开，每个有源二极管输出与之对应的一位开关状态信号。其中两个电容堆叠放置，分离正/负半周期输出，并维持相对稳定的输出电压。其中一个电感与压电设备串联，然后与开关并联，开关短暂导通翻转压电端电容电压。其中电压过零检测及数字电路控制模块接受所述有源二极管的开关状态信号，并且检测压电端电压过零点，最优化地控制开关的导通时长。

Description

一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器
技术领域
本发明主要涉及机械能转换为电能输出的领域，特指一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器。
背景技术
图1表示的是采用电感同步开关能量采集技术的压电能量采集电路。该电路采用全桥结构，使用被动二极管和同步开关将压电输出端的交流电压转换成负载可用的直流电压，并且有效地翻转压电端电容电压，减少电荷浪费。
该电路因为采用被动二极管，迫使压电端的输出电压即整流器的输入必须高于两个被动二极管电压降之和，大约为1.4伏，使得该整流器不适用于小型压电能量采集。另外，该电路需要一个精确的同步开关时序控制电路，控制同步开关的导通和关闭，不精确的开关导通时刻和导通时长将严重影响整流器的提取效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器。解决方案为：两个有源二极管，其被连接以检测流经的电流的过零点，一旦电流过零点改变输出的一位开关状态信号，该信号作为有源二极管的输出被送到电压过零检测及数字电路控制模块的输入端；以及一个峰值检测及数字电路控制模块，其被连接以接收所述有源二极管的开关状态信号，并检测出现在压电端的电压过零点，输出优化脉宽的脉冲信号，该脉冲信号被送到开关的输入控制端；以及一个开关，其被连接到电压过零检测及数字电路控制模块的输出端以接收脉冲信号，完成导通/截止操作；以及一个电感，其与压电器件串联以在压电器件输出电流过零点时与压电端电容、开关一起形成一个谐振腔，该电感一端与压电设备一端相连，电感的另一端与所述的一个有源二极管的阳极、一个有源二极管的阴极和开关的一端相连，压电设备的另一端分别与开关的另一端并与两个堆叠电容的堆叠处相连，堆叠电容的底、顶端分别与一个有源二极管的阳极和一个有源二极管的阴极相连接到负载。
本发明提出的一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器，其优点在于：
1.将电感同步开关采样技术融入无桥型电容分裂的整流器结构中，相对于全桥结构，减少了一个二极管的前向电压降。
2.使用有源二极管，进一步降低前向电压降，并且能够自动检测电感电流过零点。
3.能够最优化地翻转压电端的电容电压。
4.有一个简单的数字电路控制模块，其降低了使用电感同步开关采样技术所带来的额外的功耗，从而增加了负载端或者储能端的净能量。
附图说明
图1是典型的采用电感同步开关能量采集技术的压电能量采集电路；
图2是本发明公开的短路式电容分裂结构的压电能量采集电路示意图；
图3是本发明公开的具有自动翻转时间的短路式电容分裂结构的压电能量采集电路原理示意图；
图4是本发明公开的整流器关键结点的波形时序示意图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，压电传导器被等效为一个电路模型，该电路模型包括并联的一个电流源iP、一个电阻RP和一个电容CP。假设电流源可以表示为
iP＝IP sin(2πfPt) (1)
其中幅度IP与振动源的加速度大小相关，fP对应振动源的振动频率。此外，因为电阻RP的值很大在兆级别，所以在分析中可以忽略不计。假设负载电容CL的值很大，使得VRECT可以看成一个稳定的直流电压，同时电容C1与C2的值相等，选取的电容值以保持其两端的电压近似稳定。
图2所示为本发明整流器基本电路结构，相对于图1所示的全桥结构，该电路减少了一个二极管的前向电压降，有利于小型压电采集器的应用。
图3为本发明的整流器，其基本运行原理可以参考图4，在t4时刻之前，开关SW截止，二极管D1导通，D2截止，一个iP正半周期的电流回路A-B-C-VRECT-A形成。由压电端产生的电荷通过此路径传递到负载端。现在，电流在t4时刻变负，该时刻被有源二极管D1检测，D1被关断，开关状态信号G1由高变低，该信号经过数字模块，致使开关SW导通。在t4到t5时间内，一个回路为A-B-C-A的LC谐振腔形成，存储在电容CP的能量通过该回路传输到电感L中。在t5时刻，CP中储存的全部能量都被传输至电感L，此时压电设备两端的电压VBA为0。该压电端的过零点被压电电压过零检测电路检测，输出信号经过数字模块，致使SW再次截止，此时LC谐振腔的回路变为A-B-C-VRECT-A。因此，在t5到t6时间内，电感中的一部分能量被传输到负载端，同时另一部分能量传回压电端，并在其压电端的电容CP两端产生一个翻转的电压。由于此时D1位于谐振环路中，电流只能沿A→B→C→VRECT的方向流动，在电感中的所有能量耗完后，电容电压翻转过程在t6时刻自动终止。然后，电流iP进行反向充电，直到压电端电压大于C2两端的电压加上一个有源二极管的电压降的和，一个iP负半周期的电流回路A-D-C-B-A形成。同样的工作原理，在负半周期有一个类似的过程，只不过用来翻转电压的谐振腔经过路径A-D-C-B。下个电流周期重复整个过程。
综上所述，本发明公开的整流器融入了电感同步开关采样技术，并且有一个简单的控制电路控制压电能量采集器的电容电压最优化翻转，无桥结构和有源二极管的使用减少了导通损耗，最终增加了负载端或者储能端的净能量。
虽然本发明已相对有限数量的实施例进行了描述，但受益于此公开的本领域的技术人员将理解由此产生的多种修改和变化。所附权利要求旨在涵盖属于本发明真正精神和范围的此类修改和变化。

Claims (3)

1.一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器，包括：
两个有源二极管，其被连接以检测流经的电流的过零点，一旦电流过零点改变输出的一位开关状态信号，该开关状态信号作为有源二极管的输出被送到电压过零检测及数字电路控制模块的输入端；以及
一个电压过零检测及数字电路控制模块，其被连接以接收所述有源二极管的开关状态信号，并检测出现在压电端的电压过零点，输出优化脉宽的脉冲信号，该脉冲信号被送到开关的输入控制端；以及
一个开关，其被连接到电压过零检测及数字电路控制模块的输出端以接收脉冲信号，完成导通/截止操作；以及
一个电感，其与压电器件串联以在压电器件输出电流过零点时与压电端电容、开关一起形成一个谐振腔，该电感一端与压电设备一端相连，电感的另一端与所述的一个有源二极管的阳极、一个有源二极管的阴极和开关的一端相连，压电设备的另一端分别与开关的另一端并与两个堆叠电容的堆叠处相连，堆叠电容的底、顶端分别与一个有源二极管的阳极和一个有源二极管的阴极相连接到负载。
2.如权利要求1所述的一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器，当所述有源二极管的阴极电压高于阳极时，有源二极管截止，开关状态信号输出为一位低电平，当所述有源二极管的阳极电压高于阴极时，有源二极管导通，开关状态信号输出为一位高电平。
3.如权利要求1所述的一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器，当检测到任意一个所述有源二极管截止时，即检测到此时开关状态信号的改变时，同步开关导通，此时使能电压过零检测及数字电路控制模块，一旦检测到压电端电压过零点，电压过零检测及数字电路控制模块关闭，同步开关截止。
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