CN108390462B

CN108390462B - 一种自供电的压电式振动能量同步提取电路

Info

Publication number: CN108390462B
Application number: CN201810437056.1A
Authority: CN
Inventors: 夏银水; 陈志栋
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2038-05-09
Also published as: CN108390462A

Abstract

本发明公开了一种自供电的压电式振动能量同步提取电路，特点是包括压电元件、温差发电片、第一储能电容、热电注入检测控制电路、正极值检测电路、负极值检测电路、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第一NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第一NPN型三极管、第二NPN型三极管、第二储能电容和负载电阻，热电注入检测控制电路包括第二NMOS管、第三NMOS管、第一电容、第二电容、第三二极管和第四二极管；优点是通过热电能量注入有效提升输出功率，并且实现完全的自供电。

Description

一种自供电的压电式振动能量同步提取电路

技术领域

本发明涉及一种能量提取电路，尤其是一种自供电的压电式振动能量同步提取电路。

背景技术

随着智能电子技术的不断发展，无线传感网络技术也逐渐运用到各个领域，如医疗保健、环境监测、家庭安防等。然而电池的性能和寿命严重制约着无线传感节点的普及，在一些环境监测及医疗保健的无线传感节点中，一旦电源耗尽，信息采集中止，整个节点也就不起作用了。

为了能从环境中获取更多的能量，提高采集的总能量，有研究人员提出了多源的能量采集方法，从环境中的振动能、热能、微波辐射等能源采集能量，但是由于不同能源产生的信号完全不同，不同的信号不能直接耦合在一起，所以一般的多源能量采集系统只是简单地对多种形式的能量进行独立的收集。而且多种能量采集系统的控制开关电路非常复杂，迄今还没提出较为完善的自供电解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过热电能量注入有效提升输出功率的自供电的压电式振动能量同步提取电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种自供电的压电式振动能量同步提取电路，包括压电元件、温差发电片、第一储能电容、热电注入检测控制电路、正极值检测电路、负极值检测电路、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第一NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第一NPN型三极管、第二NPN型三极管、第二储能电容和负载电阻，所述的热电注入检测控制电路包括第二NMOS管、第三NMOS管、第一电容、第二电容、第三二极管和第四二极管，所述的温差发电片的正极、所述的第一电感的一端及所述的第一储能电容的正极相连，所述的温差发电片的负极、所述的第一储能电容的负极、所述的第一NMOS管的源极、所述的第一电容的一端、所述的第二NMOS管的源极、所述的第二电感的一端、所述的第二二极管的正极、所述的第四NMOS管的源极及所述的第五NMOS管的源极连接，所述的第一电感的另一端、所述的第一二极管的正极及所述的第一NMOS管的漏极连接，所述的第一NMOS管的栅极、所述的第一电容的另一端、所述的第三二极管的负极及所述的第二NMOS管的漏极连接，所述的第一二极管的负极、所述的第二NMOS管的栅极、所述的压电元件的一端、所述的第二电容的一端、所述的正极值检测电路的负端、所述的负极值检测电路的正端、所述的第二NPN型三极管的集电极、所述的第四NMOS管的栅极及所述的第五NMOS管的漏极连接，所述的第三二极管的正极与所述的第三NMOS管的漏极连接，所述的第三NMOS管的源极、所述的第二电容的另一端及所述的第四二极管的负极连接，所述的第三NMOS管的栅极、所述的第四二极管的正极、所述的压电元件的另一端、所述的第四NMOS管的漏极、所述的第五NMOS管的栅极、所述的正极值检测电路的正端、所述的负极值检测电路的负端及所述的第一NPN型三极管的集电极连接，所述的正极值检测电路的控制端与所述的第一NPN型三极管的基极连接，所述的负极值检测电路的控制端与所述的第二NPN型三极管的基极连接，所述的第二二极管的负极、所述的第二储能电容的正极及所述的负载电阻的一端连接，所述的第一NPN型三极管的发射极、所述的第二NPN型三极管的发射极、所述的第二电感的另一端、所述的第二储能电容的负极及所述的负载电阻的另一端均接地。

所述的正极值检测电路包括第三电容、第五二极管和第一PNP型三极管，所述的负极值检测电路包括第四电容、第六二极管和第二PNP型三极管，所述的第三电容的一端、所述的压电元件的一端、所述的第六二极管的正极及所述的第二PNP型三极管的基极连接，所述的第三电容的另一端、所述的第五二极管的负极及所述的第一PNP型三极管的发射极连接，所述的第五二极管的正极、所述的第一PNP型三极管的基极、所述的第四电容的一端及所述的压电元件的另一端连接，所述的第一PNP型三极管的集电极与所述的第一NPN型三极管的基极连接，所述的第四电容的另一端、所述的第六二极管的负极及所述的第二PNP型三极管的发射极连接，所述的第二PNP型三极管的集电极与所述的第二NPN型三极管的基极连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过热电注入检测控制电路检测压电元件的初始状态，随后控制第一NMOS管周期性地将第一储能电容中的能量提取到第一电感，并通过第一二极管续流将能量注入到压电元件的内部电容上，再通过第四NMOS管、第五NMOS管、正极值检测电路与负极值检测电路的共同作用，使第二电感与压电元件的内部电容产生LC谐振，从而将压电能量同步提取到电感，并通过第二二极管续流将能量转移到第二储能电容上；整个电路能够自动检测压电元件的初始状态并控制各个NMOS管进行热电能量注入，无需外部电源，极大地减少电路功耗并提升输出功率，且实现完全的自供电；相比于没有热电能量注入的电路，通过位于前端的温差发电片极少的热电能量注入，后端的输出功率可以获得几倍的提升，输出功率与负载大小无关，且在较宽的振动频带范围内均可使用。。

附图说明

图1为本发明的电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：一种自供电的压电式振动能量同步提取电路，包括压电元件PZT、温差发电片TEG、第一储能电容Cin、热电注入检测控制电路、正极值检测电路、负极值检测电路、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一NMOS管M1、第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第一NPN型三极管Q2、第二NPN型三极管Q3、第二储能电容Cr和负载电阻RL，热电注入检测控制电路包括第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第一电容C1、第二电容C2、第三二极管D3和第四二极管D4，温差发电片TEG的正极、第一电感L1的一端及第一储能电容Cin的正极相连，温差发电片TEG的负极、第一储能电容Cin的负极、第一NMOS管M1的源极、第一电容C1的一端、第二NMOS管M2的源极、第二电感L2的一端、第二二极管D2的正极、第四NMOS管M4的源极及第五NMOS管M5的源极连接，第一电感L1的另一端、第一二极管D1的正极及第一NMOS管M1的漏极连接，第一NMOS管M1的栅极、第一电容C1的另一端、第三二极管D3的负极及第二NMOS管M2的漏极连接，第一二极管D1的负极、第二NMOS管M2的栅极、压电元件PZT的一端、第二电容C2的一端、正极值检测电路的负端、负极值检测电路的正端、第二NPN型三极管Q3的集电极、第四NMOS管M4的栅极及第五NMOS管M5的漏极连接，第三二极管D3的正极与第三NMOS管M3的漏极连接，第三NMOS管M3的源极、第二电容C2的另一端及第四二极管D4的负极连接，第三NMOS管M3的栅极、第四二极管D4的正极、压电元件PZT的另一端、第四NMOS管M4的漏极、第五NMOS管M5的栅极、正极值检测电路的正端、负极值检测电路的负端及第一NPN型三极管Q2的集电极连接，正极值检测电路的控制端与第一NPN型三极管Q2的基极连接，负极值检测电路的控制端与第二NPN型三极管Q3的基极连接，第二二极管D2的负极、第二储能电容Cr的正极及负载电阻RL的一端连接，第一NPN型三极管Q2的发射极、第二NPN型三极管Q3的发射极、第二电感L2的另一端、第二储能电容Cr的负极及负载电阻RL的另一端均接地。

实施例二：其余部分与实施例一相同，其不同之处在于正极值检测电路包括第三电容C3、第五二极管D5和第一PNP型三极管Q1，负极值检测电路包括第四电容C4、第六二极管D6和第二PNP型三极管Q4，第三电容C3的一端、压电元件PZT的一端、第六二极管D6的正极及第二PNP型三极管Q4的基极连接，第三电容C3的另一端、第五二极管D5的负极及第一PNP型三极管Q1的发射极连接，第五二极管D5的正极、第一PNP型三极管Q1的基极、第四电容C4的一端及压电元件PZT的另一端连接，第一PNP型三极管Q1的集电极与第一NPN型三极管Q2的基极连接，第四电容C4的另一端、第六二极管D6的负极及第二PNP型三极管Q4的发射极连接，第二PNP型三极管Q4的集电极与第二NPN型三极管Q3的基极连接。

Claims

1.一种自供电的压电式振动能量同步提取电路，其特征在于包括压电元件、温差发电片、第一储能电容、热电注入检测控制电路、正极值检测电路、负极值检测电路、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第一NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第一NPN型三极管、第二NPN型三极管、第二储能电容和负载电阻，所述的热电注入检测控制电路包括第二NMOS管、第三NMOS管、第一电容、第二电容、第三二极管和第四二极管，所述的温差发电片的正极、所述的第一电感的一端及所述的第一储能电容的正极相连，所述的温差发电片的负极、所述的第一储能电容的负极、所述的第一NMOS管的源极、所述的第一电容的一端、所述的第二NMOS管的源极、所述的第二电感的一端、所述的第二二极管的正极、所述的第四NMOS管的源极及所述的第五NMOS管的源极连接，所述的第一电感的另一端、所述的第一二极管的正极及所述的第一NMOS管的漏极连接，所述的第一NMOS管的栅极、所述的第一电容的另一端、所述的第三二极管的负极及所述的第二NMOS管的漏极连接，所述的第一二极管的负极、所述的第二NMOS管的栅极、所述的压电元件的一端、所述的第二电容的一端、所述的正极值检测电路的负端、所述的负极值检测电路的正端、所述的第二NPN型三极管的集电极、所述的第四NMOS管的栅极及所述的第五NMOS管的漏极连接，所述的第三二极管的正极与所述的第三NMOS管的漏极连接，所述的第三NMOS管的源极、所述的第二电容的另一端及所述的第四二极管的负极连接，所述的第三NMOS管的栅极、所述的第四二极管的正极、所述的压电元件的另一端、所述的第四NMOS管的漏极、所述的第五NMOS管的栅极、所述的正极值检测电路的正端、所述的负极值检测电路的负端及所述的第一NPN型三极管的集电极连接，所述的正极值检测电路的控制端与所述的第一NPN型三极管的基极连接，所述的负极值检测电路的控制端与所述的第二NPN型三极管的基极连接，所述的第二二极管的负极、所述的第二储能电容的正极及所述的负载电阻的一端连接，所述的第一NPN型三极管的发射极、所述的第二NPN型三极管的发射极、所述的第二电感的另一端、所述的第二储能电容的负极及所述的负载电阻的另一端均接地。

2.根据权利要求1所述的一种自供电的压电式振动能量同步提取电路，其特征在于所述的正极值检测电路包括第三电容、第五二极管和第一PNP型三极管，所述的负极值检测电路包括第四电容、第六二极管和第二PNP型三极管，所述的第三电容的一端、所述的压电元件的一端、所述的第六二极管的正极及所述的第二PNP型三极管的基极连接，所述的第三电容的另一端、所述的第五二极管的负极及所述的第一PNP型三极管的发射极连接，所述的第五二极管的正极、所述的第一PNP型三极管的基极、所述的第四电容的一端及所述的压电元件的另一端连接，所述的第一PNP型三极管的集电极与所述的第一NPN型三极管的基极连接，所述的第四电容的另一端、所述的第六二极管的负极及所述的第二PNP型三极管的发射极连接，所述的第二PNP型三极管的集电极与所述的第二NPN型三极管的基极连接。