CN105634300A - 一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开路式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、两个开关、一个电感、一个峰值检测及数字电路控制模块。其中一对有源二极管进行互补的导通/截止操作，一旦某个二极管检测到从正到负流经电流的过零点，该二极管被关断，与之相对的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。其中一个峰值检测及数字电路控制模块接收所述有源二极管的开关状态信号，并检测有源二极管阴极的电压峰值，输出优化脉宽的脉冲信号。其中两个开关接受所述峰值检测及数字电路控制模块的脉冲信号，进行开/关操作。其中一个电感与压电设备进行串联，并连接到整流器输入端，在所述峰值检测及数字电路控制模块的控制下，最优化地翻转压电设备的电容电压，同时传输能量到负载。

Description

一种开路式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的领域，特指一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器。

背景技术

基于压电式悬梁臂结构的能量采集器因其具有低成本、高功率密度、高扩展性等优势，使它非常适用于小型化振动能量采集系统。但小型化能量采集系统可获得的功率非常低，一般低于1毫瓦，并且在能量传输过程造成的损耗进一步降低了到负载的净能量。因此，一个低功耗的电路设计必不可少。另外，由于从压电传导器输出的电压为交流电，而负载需要一个稳定的直流电压，因此还需要一个交流转直流的整流器。

图1表示的是一个典型的使用全桥整流器的压电能量采集电路，该电路中被动二极管固有的前向电压降约为0.7伏，在传输压电端能量到负载时会引入过多的导通损耗，而且为了传输能量到负载，压电端电压差必须大于两个二极管前向电压降的和，即约1.4伏，从而限制了该电路在小型压电能量采集的应用。

另一方面，如图1所示，因为压电设备输出电抗呈现大的容性，在每半个振动周期压电端电压翻转时，都会有电荷浪费在对压电传导器电容的充放点过程中。为了避免电荷浪费，更多地提取来自压电端的能量，人们提出了各种各样的非线性方法。图2表示的是一种典型的串联电感同步开关能量采集电路，也称为串联电感开关能量采集技术。该技术使用一个串联的电感和开关与压电传导器串联作为全桥整流器的输入。在振动周期的大部分时间内开关截止，压电电荷聚集在电容上形成缓缓上升的电压，一旦达到电压峰值，即压电端输出电流过零点时，开关短暂导通，储存在电容上的一部分能量被传递到负载端，另一部分能量返回压电端，并在压电电容上形成翻转的电压。一旦剩下的能量全部返回电容，开关再次截止，传导器的反向电流在下半个振动周期对电容反向充电，并重复上述过程。

尽管图2所示的电路解决了电荷浪费的问题，但其使用了被动二极管，增加了导通损耗，限制了压电端输出电压幅度，且开关的导通时间受电感、压电端电容、甚至负载的影响，导通时长的精确控制需要额外的人为调节，不合适的开关导通时长将大大降低整流器的提取效率。考虑到这些问题，该电路不适用于小型的压电能量采集。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器。解决方案为：一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器。该整流器包括两个带使能端的有源二极管，其被连接以检测流经的电流从正到负的过零点，一旦电流过零点，关断该二极管，使能与之相对的有源二极管，改变一位开关状态信号，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和相对的二极管的使能端；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，并检测出现在有源二极管阴极端的电压峰值，或压电器件两端的电压峰值，输出优化脉宽的脉冲信号被送到开关的输入控制端；以及两个开关，其被连接到数字电路控制模块的输出端以接收所述峰值检测及数字电路控制模块的脉冲信号，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、负载一起形成一个谐振腔，向负载传输能量的同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阴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阴极和另一个开关的一端相连，两个开关的另一端相连接到负载，两个有源二级管的阳极相连接到地。

本发明提出的优化翻转时间的压电能量采集整流器，优点在于：

1.将串联电感同步开关能量采集技术融入全桥整流器结构中，相对于传统串联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.使用整流器中有源二极管和开关而不是被动二极管大大地降低了前向电压降。

3.能够自动检测电感电流过零点，实现零电流开关，并且同步开关具有一个优化的开关导通时长。

4.有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及相应结点波形示意图；

图2是典型的使用串联电感同步开关能量采集技术的压电能量采集电路和相应结点波形示意图；

图3是本发明公开的开路式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)

其中电流幅度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。此外，因为电阻R_P的值很大在兆级别，所以在分析中可以忽略，并且假设负载电容C_L的值很大，使得V_RECT可以看成一个稳定的直流电压。

图3所示为本发明的整流器，其基本运行原理可以参考图4，在t3时刻之前，二极管D1被打开，D2被关断，S1和S2都截止，B点电压V_B由于i_P充电逐渐上升，当其上升到峰值时，也即i_P在从正到负过零点附近时，开关S2导通，一个经过路径A-B-V_RECT-C-D的谐振腔形成。储存在电容C_P中的一部分能量通过该路径传输到负载，另一部分到电感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D1位于谐振环路中，电流只能沿A→B→V_RECT→C→D的方向流动；当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。一旦在t4时刻完成翻转，D1被关断，S2再次截止，D2被打开。反向电流i_P对电容充电，V_D或者V_A电压逐渐上升直到检测到D或者A点电压达到峰值。同样的工作原理，在i_P的负半周期重复其正半周期时的相似的运行操作。并在下个电流周期重复整个过程。

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

而本发明的整流器因采用有源二极管和开关，前向电压降可以忽略不计。每次开关S1或者S2短暂闭合，储存在电容C_P的一部分能量被传递到负载端，另一部分能量用来翻转电容C_P的电压。其他时间段，开关S1和S2都截止，压电端与负载端断开，式(4)给出了在此时间段内电压V_M与V_m之间的关系，参照图3，V_M与V_m分别对应于翻转事件前、后的电压。

$\left|V_M\right|=\left|V_m\right|+\frac{2I_P}{{\mathrm{\ωC}}_P}---\left(4\right)$

每次翻转，压电输入端输出的能量为

$V_{RECT}{\∫}_0^{T/2}Idt=V_{RECT}{C}_p(V_M+V_m)=\frac{\mathrm{\π}}{R_L\mathrm{\ω}}{V}_{RECT}^2---\left(5\right)$

参照图4，定义η为重置电压差与翻转电压差的比值，

$\mathrm{\η}=\frac{\left|V_m\right|+V_{RECT}}{\left|V_M\right|-V_{RECT}}---\left(6\right)$

通过(4)、(5)和(6)可以获得负载端的输出直流电压V_RECT为

$V_{RECT}=\frac{2R_L{I}_p(1+\mathrm{\η})}{\mathrm{\π}(1-\mathrm{\η})+2R_L{C}_p\mathrm{\ω}(1+\mathrm{\η})}---\left(7\right)$

因其输出功率可表达为

$P_L=\frac{V_{RECT}^2}{R_L}---\left(8\right)$

对式(8)求导，可得到最大的输出功率为

$P_{L,SER}\left(max\right)=\frac{1+\mathrm{\η}}{1-\mathrm{\η}}\·\frac{I_p^2}{2{\mathrm{\πC}}_p\mathrm{\ω}}---\left(9\right)$

此时最优的负载电阻和最优输出直流电压分别为

$R_{L,OPT}=\frac{1-\mathrm{\η}}{1+\mathrm{\η}}\·\frac{\mathrm{\π}}{2C_p\mathrm{\ω}},V_{RECT,OPT}=\frac{I_p}{2{\mathrm{\ωC}}_p}---\left(10\right)$

采用一组合理的参数如I_P＝100μA，f_P＝100Hz,，C_P＝20nF，η＝0.7，V_D＝0.7代入式(3)和式(9)。二极管全桥最大输出功率为86μW，采用本发明的最大输出功率为717μW，大约是二极管全桥最大输出功率的8倍。

综上所述，本发明公开的整流器有一种新颖的电路结构，该结构融入了串联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，加上有源二极管和开关的使用，最终有效地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 (4)

1.一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器，包括：

两个带使能端的有源二极管，其被连接以检测流经的电流从正到负的过零点，一旦电流过零点，关断该二极管，使能与之相对的有源二极管，并改变其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和相对的二极管的使能端；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，并检测出现在有源二极管阴极端的电压峰值，或压电器件两端的电压峰值，输出优化脉宽的脉冲信号被送到开关的输入控制端；以及

两个开关，其被连接到数字电路控制模块的输出端以接收所述峰值检测及数字电路控制模块的脉冲信号，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、负载一起形成一个谐振腔，向负载传输能量的同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阴极和一个开关的一端相连，压电设备的另一端与所述的另一个有源二极管的阴极和另一个开关的一端相连，两个开关的另一端相连接到负载，两个有源二级管的阳极相连接到地。

2.如权利要求1所述的有源二极管为一对互补导通/截止的二极管，当其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高电平，相对的有源二极管导通，当阴极电压低于阳极时，有源二极管导通，开关状态信号输出为一位低电平，相对的有源二极管截止。

3.如权利要求1所述的开关，在峰值检测及数字电路模块检测到电压峰值前，两个开关都截止，一旦检测到电压峰值，与该电压相对应的一个开关导通。

4.如权利要求1所述的峰值检测及数字电路控制模块，当检测到电压峰值时，其对应的输出信号的电平翻转，对应的一个开关导通，随后有源二极管开关状态信号自动翻转，该信号的改变一旦被检测，输出再次翻转回原电平，开关截止。