CN107565675A - 同步电荷提取系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了同步电荷提取系统，涉及电荷提取领域；包括：所述压电材料通过形变进而产生电荷并形成交流电流；所述频率变换电路将把低频交流电流转换至高频交流电流，并接受来自双向开关控制电路产生的控制信号Ⅰ，所述控制信号Ⅰ控制频率变换电路中的第一双向开关导通与截止；所述双向开关控制电路产生控制信号将其分别发送至频率变换电路与DC‑DC变换电路；所述DC‑DC变换电路接收来双向开关控制电路路产生的控制信号Ⅱ，所述自控制信号Ⅱ经过波形变换后并控制DC‑DC变换电路中的第二双向开关导通与截止。其能量收集的最大功率和效率都有提高，同时由于此电路中减小了匹配电感值，因此使得能量回收装置的体积可以大幅度减小。

Description

同步电荷提取系统

技术领域

本发明涉及电荷提取领域，尤其是同步电荷提取系统。

背景技术

随着微机电系统技术、无线通信技术和集成电路技术的不断发展，对于小尺寸、低能耗的微电子设备的需求与日俱增，解决这些微电子设备能量来源的问题一直困扰着人们，所以解决这些电子设备能源的课题就成为了研究重点。

近年来人们相继研制出了多种微能源器件，比如微型太阳能电池、微型锂电池及燃料电池等，微型太阳能电池虽然可以实现长期供能，但是其容易受天气、应用场合所限制，不能够实现实时供能约束条件多因此具有很大的局限性；而锂电池及燃料电池能量密度较低存储的能量较少需要经常进行充能，导致其寿命有限，此外废旧的锂电池对环境还会造成很大污染，严重危害环境，因此，目前基于压电材料的振动能量回收技术最具有发展前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种同步电荷提取系统，采用了双向开关控制电路与频率变换电路的组合，与一般相比，其能量收集的最大功率和效率都有提高，同时由于此电路中减小了匹配电感值，因此使得能量回收装置的体积可以大幅度减小。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：同步电荷提取系统，包括压电材料、频率变换电路、双向开关控制电路以及DC-DC变换电路；

所述压电材料通过形变进而产生电荷并形成交流电流；

所述频率变换电路将把低频交流电流转换至高频交流电流，并接受来自双向开关控制电路产生的控制信号Ⅰ，所述控制信号Ⅰ控制频率变换电路中的第一双向开关导通与截止；

所述双向开关控制电路产生控制信号将其分别发送至频率变换电路与DC-DC变换电路；

所述DC-DC变换电路接收来双向开关控制电路路产生的控制信号Ⅱ，所述自控制信号Ⅱ经过波形变换后并控制DC-DC变换电路中的第二双向开关导通与截止。

进一步地，所述压电材料采用无极压电材料和/或有机压电材料。

进一步地，所述频率变换电路至少包括：第一双向开关、第一电感、第二电感、第四二极管、第五二极管以及第四电容；所述第一双向开关分别与第四二极管的一端和第五二极管的一端，第四二极管的另一端和第五二极管的另一端与第一电感相连，所述第四电容并联在第二电感的两端。

进一步地，所述双向开关控制电路至少包括：第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第二二极管、第三二极管以及第三电容；

所述第一运算放大器的同向端分别与第二电阻、第三电阻和第四电阻的一端相连，第一运算放大器的反向端与第三电容的一端相连；第五电阻、第六电阻分别与第二二极管、第三二极管串联之后再并联，并联后的一段与第一运算放大器的方向端相连，并联后的另一端与第一运算放大器的输出端相连，第一运算放大器的输出端与频率变换电路的第一双向开关的信号输入端相连；第二运算放大器的同向端与七电阻、第八电阻、第九电阻的一端相连，第二运算放大器的输出端与DC-DC变换电路中的第二双向开关的信号输入端相连。

进一步地，所述第一运算放大器、第二运算放大器通过一稳压二极管提供稳定工作电压。

进一步地，所述DC-DC变换电路至少包括：第五电容、第六电容、第二双向开关、第八二极管、第九二极管、第十二极管以及第三电感；

所述第二双向开关别与第八二极管的一端和第九二极管的一端相连，第八二极管的一端和第九二极管的另一端分别与第三电感的一端相连和第十二极管的负极相连，第三电感的另一端与第六电容的一端相连，第六电容的另一端、第十二极管的正极与第五电容的一端相连，第五电容的另一端与第二双向开关的一端相连，第二双向开关的信号输出端与双向开关控制电路的第二运算放大器的输出端相连。

进一步地，所述第六电容的两端还连接有负载。

本发明的有益效果是：本发明提出了减小匹配电感的同步电荷提取系统，采用了双向开关控制电路与频率变换电路的组合，与一般相比，其能量收集的最大功率和效率都有提高，同时由于此电路中减小了匹配电感值，因此使得能量回收装置的体积可以大幅度减小。

附图说明

图1为电荷提取系统一个实施例的框图；

图2为电荷提取电路一个实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，同步电荷提取系统的框图，包括：压电材料、频率变换电路、双向开关控制电路以及DC-DC变换电路；所述压电材料通过形变进而产生电荷并形成交流电流；所述频率变换电路将把低频交流电流转换至高频交流电流，并接受来自双向开关控制电路产生的控制信号Ⅰ，所述控制信号Ⅰ控制频率变换电路中的第一双向开关导通与截止；所述双向开关控制电路产生控制信号将其分别发送至频率变换电路与DC-DC变换电路；所述DC-DC变换电路接收来双向开关控制电路路产生的控制信号Ⅱ，所述自控制信号Ⅱ经过波形变换后并控制DC-DC变换电路中的第二双向开关导通与截止。

如图2所示，电荷提取电路一个实施例的电路原理图，把压电材料等效为一个交流电流源i和一个等效电容C1并联的形式；交流电流源i和一个等效电容C1并联的一端与第六二极管D6的正极相连，第六二极管D6的负极与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端与第二电容C2的一端相连，稳压二极管D1并联在第二电容C2的两端。

优选的，频率变换电路2至少包括：第一双向开关S1、第一电感L1、第二电感L2、第四二极管D4、第五二极管D5以及第四电容C5；所述第一双向开关S1分别与第四二极管D4的一端和第五二极管D5的一端，第四二极管D4的另一端和第五二极管D5的另一端与第一电感L1相连，所述第四电容C4并联在第二电感L2的两端。

优选的，双向开关控制电路1至少包括：第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第二二极管D2、第三二极管D3以及第三电容C3；

所述第一运算放大器A1的同向端分别与第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4的一端相连，第一运算放大器A1的反向端与第三电容C3的一端相连；第五电阻R5、第六电阻R6分别与第二二极管D2、第三二极管D3串联之后再并联，并联后的一段与第一运算放大器A1的方向端相连，并联后的另一端与第一运算放大器A1的输出端相连，第一运算放大器A1的输出端与频率变换电路2的第一双向开关S1的信号输入端相连；第二运算放大器A2的同向端与七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9的一端相连，第二运算放大器A2的输出端与DC-DC变换电路3中的第二双向开关S2的信号输入端相连。

优选的，所述DC-DC变换电路至少包括：第五电容C5、第六电容C6、第二双向开关S1、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10以及第三电感L3；

所述第二双向开关别S2与第八二极管D8的一端和第九二极管D9的一端相连，第八二极管D8的一端和第九二极管D9的另一端分别与第三电感L3的一端相连和第十二极管D12的负极相连，第三电感L3的另一端与第六电容C6的一端相连，第六电容C6的另一端、第十二极管D12的正极与第五电容C5的一端相连，第五电容C5的另一端与第二双向开关S2的一端相连，第二双向开关S2的信号输出端与双向开关控制电路1的第二运算放大器A2的输出端相连。

同步电荷提取系统的具体工作原理为：由于压电材料随着形变而产生电荷，此特性类似于电容，所以为了提高能量储存效率，应该对其进行阻抗匹配。此处可把压电材料等效为一个交流电流源i和一个等效电容C1并联的形式，通过与稳压二极管D1为第一运算放大器A1与第二运算放大器A2提供工作电压。该电路同时连接双向开关控制电路1，双向开关控制电路1产生的控制信号用来控制初级线圈回路的第一双向开关S1的导通和闭合，该控制信号经过波形变换后也用来控制DC-DC变换电路中的第二双向开关S2。双向开关由一个n型MOSFET管和一个p型MOSFET管外加两个二极管组成，可以保证导通方向的单向性。通过控制S1与S2的导通与截止进行电荷提取，如图中第十电阻R10为该电路输出所连接的负载。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.同步电荷提取系统，其特征在于：包括压电材料、频率变换电路、双向开关控制电路以及DC-DC变换电路；

所述压电材料通过形变进而产生电荷并形成交流电流；

所述频率变换电路将把低频交流电流转换至高频交流电流，并接受来自双向开关控制电路产生的控制信号Ⅰ，所述控制信号Ⅰ控制频率变换电路中的第一双向开关导通与截止；

所述双向开关控制电路产生控制信号将其分别发送至频率变换电路与DC-DC变换电路；

所述DC-DC变换电路接收来双向开关控制电路路产生的控制信号Ⅱ，所述自控制信号Ⅱ经过波形变换后并控制DC-DC变换电路中的第二双向开关导通与截止。

2.根据权利要求1所述的同步电荷提取系统，其特征在于：所述压电材料采用无极压电材料和/或有机压电材料。

3.根据权利要求1所述的同步电荷提取系统，其特征在于，所述频率变换电路至少包括：第一双向开关、第一电感、第二电感、第四二极管、第五二极管以及第四电容；所述第一双向开关分别与第四二极管的一端和第五二极管的一端，第四二极管的另一端和第五二极管的另一端与第一电感相连，所述第四电容并联在第二电感的两端。

4.根据权利要求1所述的同步电荷提取系统，其特征在于，所述双向开关控制电路至少包括：第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第二二极管、第三二极管以及第三电容；

所述第一运算放大器的同向端分别与第二电阻、第三电阻和第四电阻的一端相连，第一运算放大器的反向端与第三电容的一端相连；第五电阻、第六电阻分别与第二二极管、第三二极管串联之后再并联，并联后的一段与第一运算放大器的方向端相连，并联后的另一端与第一运算放大器的输出端相连，第一运算放大器的输出端与频率变换电路的第一双向开关的信号输入端相连；第二运算放大器的同向端与七电阻、第八电阻、第九电阻的一端相连，第二运算放大器的输出端与DC-DC变换电路中的第二双向开关的信号输入端相连。

5.根据权利要求1所述的同步电荷提取系统，其特征在于，所述第一运算放大器、第二运算放大器通过一稳压二极管提供稳定工作电压。

6.根据权利要求1所述的同步电荷提取系统，其特征在于，所述DC-DC变换电路至少包括：第五电容、第六电容、第二双向开关、第八二极管、第九二极管、第十二极管以及第三电感；

所述第二双向开关别与第八二极管的一端和第九二极管的一端相连，第八二极管的一端和第九二极管的另一端分别与第三电感的一端相连和第十二极管的负极相连，第三电感的另一端与第六电容的一端相连，第六电容的另一端、第十二极管的正极与第五电容的一端相连，第五电容的另一端与第二双向开关的一端相连，第二双向开关的信号输出端与双向开关控制电路的第二运算放大器的输出端相连。

7.根据权利要求6所述的同步电荷提取系统，其特征在于：所述第六电容的两端还连接有负载。