CN105490564A - 一种优化翻转时间的压电能量采集整流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化翻转时间的压电能量采集整流器。该整流器包括两个有源二极管，有源二极管根据流经的电流方向确定其截止/导通状态，并输出一位开关状态信号；该整流器包括一个数字电路控制模块，该模块根据所述有源二极管输出的开关状态信号生成时钟信号；该整流器包括两个开关，开关接收所述的时钟信号进行开/关操作；该整流器还包括两个被动二极管和一个电感，在所述数字控制单元的控制下，最优化地翻转压电设备的电容电压。

Description

一种优化翻转时间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，特指一种优化翻转时间的压电能量采集整流器。

背景技术

压电传导器，通常由锆钛酸铅构成，能将周围环境中动能转换成电能，常常被用于小型的振动能量采集。由于直接从压电传导器输出的电压为交流电，而负载供电一般为直流电压，所以一个交流转直流的整流器必不可少。此外，压电传导器输出阻抗呈现大的容性，直接匹配源阻抗需要一个很大的电感，这是不现实的。如图1所示，如果使用传统的全桥整流器对压电端进行能量采集，在每次压电传导器输出电流过零点时都会有电荷浪费在对压电传导器电容充放点过程中，这也是不期望的。

图2表示的是一种典型的电感同步开关能量采集电路。该电路采用了一种非线性方法，也称为电感同步开关能量采集技术，用来减少在压电电容端的电荷浪费。该技术使用一个电感串联一个开关与压电传导器电容并联形成一个谐振腔。当压电器件电流改变方向时开关短暂导通翻转电容电压。该技术能有效地减少压电端阻抗的容性，从而提高电子接口电路的提取效率，但是效率敏感于开关的时序和开关导通的时长。一个精确控制开关时序和开关导通时长的电路，可能因设计复杂而消耗过多的功耗，最终反而减少负载或储能端所获得的净能量。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，提出一种优化翻转时间的压电能量采集整流器。

本发明提出的解决方案为：一种优化翻转时间的压电能量采集整流器。该整流器包括一个与压电传导器串联的电感，帮助翻转压电设备的电容电压；该整流器包括两个有源二极管，仿效二极管的电学行为，并检测电感电流过零点，一旦电流过零点翻转一位开关状态信号；该整流器包括一个简单的数字电路控制模块，该模块接收所述有源二极管的开关状态信号，并输出时钟信号；该整流器包括两个开关，开关接收所述数字电路控制模块的时钟信号，完成导通/截止操作。该整流器包括两个二极管，在所述数字电路控制模块的控制下，在每半个振动周期电感电流过零时将对应的一个二极管置于LC谐振腔内，最优化地翻转电容电压。

本发明提供一种优化翻转时间的压电能量采集整流器，其优点在于：

1.将电感同步开关能量采集技术融入全桥整流器结构中，相对于传统电感同步开关能量

采集技术，减少了一个开关元件，减低了硬件成本。

2.整流器中有源二极管和开关的使用大大地降低了二极管的前向电压降。

3.能够自动检测电感电流过零点，实现零电流开关，并且能自动触发和截止电感同步开

关能量采集。

4.包括一个简单低功耗的数字电路控制模块，其降低了使用电感同步开关能量采集技术

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是典型的使用全桥整流器的压电能量采集电路和相应结点波形示意图；

图2是典型的使用电感同步开关能量采集技术整流器的压电能量采集电路和相应结点波

形示意图；

图3是本发明公开的优化翻转时间的压电能量采集整流器；

图4是本发明公开的整流器关键结点的波形示意图；

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，压电能量采集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i_P、一个电阻R_P和一个电容C_P。假设电流源可以表示为

i_P＝I_Psin(2πf_Pt)(1)

其中幅度I_P与振动源的加速度大小相关，f_P对应振动源的振动频率。因为电阻R_P的值很大，一般在兆级别，在并联结构中流经的电流非常小，所以在分析中可以忽略。另外假设负载电容C_L很大，使得V_RECT可以看成一个稳定的直流电压。

本发明整流器的基本运行原理可以参考图4，在t3时刻之前，开关M3导通，M4截止，有源二极管D1被关断，D2被打开，相对于i_P的一个正半周期的电流回路A-B-V_RECT-C-D-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t3时刻变负。该时刻被有源二极管D2检测，D2被关断并翻转一位开关状态信号G2，数字电路控制模块检测到该信号的沿变化，然后翻转时钟信号CLK，使得M3截止，M4导通。在t3到t4时间段内,一个经过路径A-B-C-D的LC谐振腔形成。储存在电容C_P中的能量通过该路径全部传输到电感L中，然后电感中的能量被传回到电容C_P中并在其两端产生一个翻转的电压。由于此时D3位于谐振环路中，电流只能沿A→B→C→D的方向流动；在电感中的所有能量传回C_P后，电容电压翻转过程自动终止，从而实现最优翻转。在t4到t5时间段内，负向电流i_P对电容C_P充电，D点电压上升，一旦电压高于输出电压V_RECT，有源二极管D1被打开，此时相对于i_P的一个负半周期的电流回路B-A-D-V_RECT-C-B形成。同样的工作原理，在负半周期也有一个LC谐振腔形成用来翻转电容电压，只是二极管D4而不是D3被置于LC谐振环路中。

图1所示的典型整流器的输出功率可以表示为

$P_{L,FB}=2V_{RECT}(\frac{I_P}{\mathrm{\π}}-2C_P{V}_{RECT}{f}_P-4C_P{V}_D{f}_P)---\left(2\right)$

其中V_D为被动二极管的前向电压降。通过式(2)可以得出在负载端可获得的最大功率为

$P_{L,FB}\left(max\right)=C_P{f}_P{(\frac{I_P}{2{\mathrm{\πf}}_P{C}_P}-2V_D)}^2---\left(3\right)$

此时 $V_{RECT}=\frac{I_P}{4{\mathrm{\πf}}_P{C}_P}-V_D.$

而本发明的输出功率可以表示为

$P_{L,BF}=2V_{RECT}(\frac{I_P}{\mathrm{\π}}-2C_P{f}_P(1-\mathrm{\η})(V_{RECT}+V_{MD}))---\left(4\right)$

其中η表示实际的翻转电压差与最大可能电压翻转差的比值，用来表征LC谐振腔的非理想因素。V_MD表示M3和D2或者M4和D1同时导通时的总电压降。通过式(4)可以得出负载端可获得的最大功率为

$P_{L,BF}\left(max\right)=\frac{I_P^2}{4{\mathrm{\π}}^2{C}_P{f}_P(1-\mathrm{\η})}+\left(\frac{1-2\mathrm{\η}}{1-\mathrm{\η}}\right)C_P{f}_P{V}_{MD}^2-\frac{I_P{V}_{MD}}{\mathrm{\π}}---\left(5\right)$

此时 $V_{RECT}=\frac{1}{2(1-\mathrm{\η})}\·(\frac{I_P}{2{\mathrm{\πf}}_P{C}_P}-V_{MD}).$

采用一组合理的参数，如I_P＝200μA，f_P＝140Hz,，C_P＝19nF，η＝0.7，V_D＝0.5V，V_MD＝0.2V，分别代入式(3)和式(4)。可见，采用本发明的最大输出功率P_L,BF(max)大约是图1典型整流器最大输出功率P_L,FB(max)的3.9倍。

综上所述，针对典型的全桥整流器存在的压电端电荷浪费的问题，本发明公开的整流器包括一种新颖的电路结构，该结构融入了电感同步开关能量采集技术，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，最终增加了负载端或者储能端的净能量。

Claims (4)

1.一种优化翻转时间的压电能量采集整流器，包括：

两个有源二极管，其被连接以检测电感电流过零点，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数字电路控制模块的输入端；以及

一个数字电路控制模块，其被连接以接收所述有源二极管的开关状态信号，并输出时钟信号，该时钟信号作为数字电路控制模块的输出被送到开关的输入控制端；以及

两个开关，其被连接以接收所述数字电路控制模块的时钟信号，完成导通/截止操作；以及

一个电感，其被连接以在压电器件输出电流过零点时帮助翻转压电器件的电容电压，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和一个开关的一端相连，压电设备的另一端分别与所述的另一个有源二极管的阳极和另一个开关的一端相连，两个有源二级管的阴极相连接负载的一端，两个开关的另一端相连接到地；以及

两个二极管，其被连接以在所述数字电路控制模块的控制下，在每半个振动周期电感电流过零时将对应的一个二极管置于LC谐振腔内，最优化地翻转电容电压，该二极管分别与所述的一个开关并联。

2.如权利要求1所述的有源二极管，当其阳极端电压高于阴极时，有源二极管导通，状态信号输出为一位低电平，反之截止，输出为高电平。

3.如权利要求1所述的数字电路控制模块，其输入采用边沿触发方式检测状态信号跳变，并输出一对互补有死区的时钟信号。

4.如权利要求1所述的二极管，可以为半导体开关自带的体二极管，或者为外加的被动二极管。