CN109004862A - 一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，包括桥式整流电路、峰值检测电路、低时延分压电路、自供电开关电路和电荷提取电路共五个组成单元，且它们依次电连接。桥式整流电路的功能是将压电发电结构产生的交流电转化为直流电，峰值检测电路的功能是用于检测压电发电结构振动位移的最大幅值，低时延分压电路的功能是降低自供电开关闭合的延迟时间，自供电开关电路的功能是在无需外部控制信号的情况下实现闭合或断开动作，电荷提取电路的功能是拾取压电发电结构产生的电能为负载供电。本发明的电路结构简单；采用自供电开关电路，降低开关功耗；降低了自供电开关电路的时延，提高了电路转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及振动压电发电领域，特别提供一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路。
背景技术
在诸多环境能量形式中，振动可以说在自然界中普遍存在，比如汽车通过地面和桥梁时产生的振动、波浪运动、工业设备工作时的机器振动等等，且不像太阳能、电磁能那样受到使用时间、服役环境等很多因素的限制。因此，振动能量收集是目前研究最为广泛的一种自供电技术。与电磁式、静电式等其它振动能转换机理相比，压电式转换机理因具有较高的力-电耦合效应和能量密度、无电磁干扰以及易于微小化集成等突出优点，因此振动压电发电非常适合于为低功耗电子设备提供电能。
压电发电输出的是大电压、高阻抗、小电流的交流电，不能直接为低功耗电子设备负载供电，必须将交流电转化为直流电(AC-DC转换)，这就需要在压电发电装置和电负载之间放置接口电路；特别地，在AC-DC转换过程中，其转换效率与接口电路密切相关。传统桥式整流接口电路虽然可以方便地实现AC-DC转换，但缺点是它要求负载阻抗与压电发电装置输出阻抗匹配，以保证负载上获取最大的能量。而压电发电的输出阻抗很高，难以实现阻抗匹配。针对传统桥式整流接口电路电能转换效率低下的问题，人们提出了基于同步开关的非线性整流接口电路，即SSHI电路，它的基本思想是在传统桥式整流接口电路中加入一个开关和电感，当压电振子到达最大振幅时压电材料内部累积电荷最多，此时开关瞬间闭合使电感与压电材料的寄生电容形成L-C振荡回路将累积电荷提取出来，从而大大提高了AC-DC的转换效率。根据开关的位置不同，SSHI电路又分为两大类：一类是开关放置在整流桥后面，称之为同步电荷提取电路；另一类是开关放置在整流桥前面，称之为同步开关电路，如CN201520926035.8中公开了一种宽频带压电发电用非线性接口电路。与同步开关电路相比，同步电荷提取电路最大的优点是其AC-DC转换效率与负载无关，有效解决了传统桥式整流接口电路面临的阻抗匹配问题，因而得到了广泛关注。
对压电发电同步电荷提取电路来说，最关键的是如何实现低功耗开关动作。迄今为止，人们提出了几种开关策略，如利用外部信号驱动开关、机械开关等。但是，外部信号驱动方式需要消耗电能，有时甚至超过了压电发电结构收集的电能，实用性上受到很大限制；而机械开关会导致压电发电结构更加复杂，不利于压电结构的微型化，而且还会限制压电发电结构自身的振动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，本发明主要解决了现有同步电荷提取电路开关的低功耗自供电及低开关时延的技术问题。
本发明提供一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，包括：桥式整流电路，外接压电发电结构的输出端，用于将压电发电结构输出的交流电转化为直流电；峰值检测电路，用于检测压电发电结构振动位移的最大幅值；低时延分压电路，用于降低自供电开关闭合的延迟时间；自供电开关电路，用于在无需外部控制信号的情况下实现开关动作；电荷提取电路，用于拾取存储在电感L上的压电发电结构产生的电能为负载供电；上述五个组成电路串联电连接。
进一步地，桥式整流电路包括四个彼此桥式电连接的整流二极管，整流二极管为导通压降小于0.7伏的肖特基二极管。实际应用时，桥式整流电路的1—2输入端口外接压电发电结构的输出端，其输入电压Vin等于压电发电结构两端的电压。
进一步地，峰值检测电路包括彼此串联的电阻R1、电感C1和二极管D5，用于检测压电发电结构振动位移达到最大值的时刻，它既可以检测压电发电结构振动位移的波峰，也可以检测压电发电结构振动位移的波谷。理想情况下，当压电发电结构振动位移达到最大值时，三极管T1会瞬间导通，使得开关三极管T2导通，从而自供电开关电路闭合。
进一步地，低时延分压电路包括彼此串联的电阻R2和二极管D8，其中：二极管D8的负极与三极管T1的基极相连接。由于二极管D5存在压降以及三极管T1存在导通电压，因此在实际情况下，当压电发电结构振动位移达到最大值后，三极管T1不会立即导通，于是开关三极管T2也不会立即导通，使得开关闭合存在一个时间延迟，通过采用电阻R2和二极管D8构成的分压电路可以降低该时间延迟。
进一步地，自供电开关电路由二极管D6、D7和三极管T1、T2组成，其中：二极管D6的正极与三极管T1的集电极相连接，二极管D6的负极与三极管T2的基极相连接；二极管D7的正极与二极管D8的正极相连接，二极管D7的负极与三极管T2的集电极相连接；三极管T1的集电极与电容C1的一端相连接。
进一步地，电荷提取电路由电感L、电容C2和二极管D9组成，其中：电容C2的一端与二极管D9的负极相连接，另一端与电感电容L相连接；二极管D9的正极与电感L相连接。电荷提取电路的3—4端口为本发明的输出端，输出电压为Vout，实际应用时外接电负载。
进一步地，自供电开关电路所用电能由压电发电产生，无需外部提供电能。
进一步地，压电发电结构由压电材料和弹性基体组成，压电材料为锆钛酸铅压电材料或聚偏氟乙烯压电材料；所述压电发电结构可以为任意形状。
本发明的优点：
本发明提供的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路采用的峰值检测电路能同时检测压电发电结构振动位移的波峰和波谷，简化了电路结构；采用的自供电开关电路，在不需要外部控制信号的情况下实现了所需的闭合或断开功能，降低了开关功耗；通过增加分压电路大大降低了自供电开关电路的时延，提高了该电路对压电发电的AC-DC转换效率；该电路的AC-DC转换效率与负载无关，无需进行阻抗匹配。
附图说明
现在将参考附图更详细地解释本发明，其中：
图1是本发明的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路结构示意图；
图2是本发明压电发电结构等效电路示意图；
图3是实测Vrect电压波形；
图4是实测Vout电压波形。
具体实施方式
本发明提供一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，包括：桥式整流电路，外接压电发电结构的输出端，用于将压电发电结构输出的交流电转化为直流电；峰值检测电路，用于检测压电发电结构振动位移的最大幅值；低时延分压电路，用于降低自供电开关闭合的延迟时间；自供电开关电路，用于在无需外部控制信号的情况下实现闭合或断开动作；电荷提取电路，用于拾取存储在电感L上的压电发电结构产生的电能为负载供电；上述五个组成电路串联电连接。
通过增加低时延分压电路大大降低了自供电开关电路闭合的延迟时间，从而提高了该电路对压电发电的AC-DC转换效率。
具体的如图1所示，包括桥式整流电路、峰值检测电路、低时延分压电路、自供电开关电路和电荷提取电路共五个组成部分，且它们依次电连接。
桥式整流电路的功能用于将压电发电结构输出的交流电转化为直流电，该桥式整流电路也可以为其他常用的桥式整流电路结构。优选的，包括四个彼此桥式电连接的整流二极管D1、D2、D3、D4。实际应用时，桥式整流电路的输入端口1—2与压电发电结构的输出端相连。整流二极管D1、D2、D3、D4可以为导通压降VD较小的肖特基二极管。优选的导通压降小于0.7伏，此时可以减小由于二极管导通压降造成的电能损耗。
峰值检测电路的功能是用于检测压电发电结构振动位移的最大幅值。优选的，峰值检测电路由电阻R1、电容C1和二极管D5组成，其中：电阻R1的一端与二极管D5正极相连接，另一端与桥式整流电路输出端的一端相连接，二极管D5的负极与电容C1相连接，电容C1的另一端分别与桥式整流电路端的另一端、三极管T1的发射极相连接。
低时延分压电路的功能是用于降低自供电开关闭合的时延时间。优选的，低时延分压电路由电阻R2和二极管D8组成，其中：二极管D8的正极与桥式整流电路输出端的一端相连接，负极分别与三极管T1的基极、电阻R2的一端相连接。电阻R2的另一端与桥式整流电路输出端的另一端相连接。
自供电开关电路的功能是用于在无需外部控制信号的情况下实现闭合或断开动作。优选的，自供电开关电路由二极管D6、D7和三极管T1、T2组成，其中：二极管D6的正极与三极管T1的集电极相连接，二极管D6的负极与三极管T2的基极相连接；二极管D7的正极与二极管D8的正极相连接，二极管D7的负极与三极管T2的集电极相连接；三极管T1的集电极与电容C1的一端相连接。
电荷提取电路的功能是用于拾取压电发电结构产生的电能为负载供电。优选的，电荷提取电路由电感L、电容C2和二极管D9组成，其中：电容C2的一端与二极管D9的负极相连接，另一端与电感电容L相连接；二极管D9的正极与电感L相连接。电荷提取电路的3—4端口为本发明的输出端，输出电压为Vout，实际应用时外接电负载。
压电发电结构由压电材料和弹性基体组成；压电材料为锆钛酸铅压电材料、压电复合材料或聚偏氟乙烯压电材料；压电发电结构可以为任意形状。
本发明提供的上述低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路工作原理如下：
为便于阐述，假设振动源为正弦激励形式，压电发电结构可以等效为由ieq、Cp构成的电流源，此时振动压电发电系统的等效电路图如图2所示，以一个振动周期为例，可以分成正半周期和负半周期进行阐述。在正半周期里，压电发电结构振动位移从平衡位置增加到峰值再回到平衡位置，1)自供电开关在正半周期内绝大部分时间是断开的，在这种情况下压电发电结构输出端一直开路，当其振动位移从平衡位置向峰值变化时产生的电荷不断在电极两端累积，使得开路电压也不断增大，桥式整流电路导通，电容C1两端电压也不断增加；当压电发电结构振动位移达到峰值时，桥式整流电路输出电压Vrec也达到最大。2)一旦压电发电结构振动从峰值向平衡位置运动时，经过一个时间延迟后自供电开关电路短暂闭合，使得电感L和寄生电容Cp组成L-Cp振荡回路，将累积的所有电能瞬间存储到电感L中。3)自供电开关电路短暂闭合后又重新断开，此时电感L将存储的全部电能转移到输出电容C2上，可以为负载供电。在负半周期，压电发电结构振动位移从平衡位置减小到到峰谷再回到平衡位置，其工作过程与正半周期类似，上述过程会周期性重复。在上述自供电开关闭合过程中，分压电阻R2降低了三极管T1基极的电压，从而减小了开关闭合的时间延迟，提供了该电路的AC-DC转换效率。
采用本发明应用于振动压电发电具有如下有益效果：采用的峰值检测电路能同时检测压电发电结构振动位移的波峰和波谷，简化了电路结构；采用的自供电开关电路，在不需要外部控制信号的情况下实现了所需的闭合或断开功能，降低了开关功耗；通过增加分压电路大大降低了自供电开关电路的时延，提高了该电路对压电发电的AC-DC转换效率；该电路的AC-DC转换效率与负载无关，无需进行阻抗匹配。
具体使用说明：本发明的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路如图1所示，其中C1＝2nF，R1＝400kΩ，R2＝1MΩ，L＝50mH，C2＝100μF，D1～D9采用低导通压降的肖特基二极管(VD＝0.6伏)，T1,T2采用低导通电压的三极管(此处的低导通电压是指导通电压＜1.0伏)；压电材料采用压电陶瓷PZT-5H片，基体材料为铝；压电发电结构形状为矩形，实际测得其等效电容Cp＝62nF。最后分别对增加低时延分压电路前后的桥式整流电路输出电压Vrect和整个电路输出电压Vout进行实验测试，获得的桥式整流电路输出电压Vrect波形如图3所示，可见增加低时延分压电路后Vrect从正值向负值反转的时间比无低时延分压电路时的要提前，这说明开关闭合的时间延迟更小。获得的整个电路输出电压Vout波形如图4所示，可以看出在相同时间内，增加低时延分压电路后Vout比无低时延分压电路时的要大，这说明本实发明电路的输出电能明显高于现有技术中电路，说明本发明提供的电路可以有效的提高压电发电的电能转化率。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。
Claims (10)
1.一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，包括：
桥式整流电路，用于将压电发电结构产生的交流电转化为直流电；
峰值检测电路，用于检测压电发电结构振动位移的最大幅值；
低时延分压电路，用于降低自供电开关闭合的延迟时间；
自供电开关电路，用于在无需外部控制信号的情况下实现闭合或断开动作；
电荷提取电路，用于拾取压电发电结构产生的电能为负载供电；
所述桥式整流电路、峰值检测电路、低时延分压电路、自供电开关电路及电荷提取电路组成电路串联电连接。
2.根据权利要求1所述的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，所述低时延分压电路位于峰值检测电路和自供电开关电路之间。
3.根据权利要求1所述的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，所述峰值检测电路包括串联的电阻R1、二极管D5和C1，用于检测压电发电结构振动位移的波峰及检测压电发电结构振动位移的波谷。
4.根据权利要求1所述的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，所述低时延分压电路包括串联的电阻R2和二极管D8，所述二极管D8的负极与三极管T1的基极相连接。
5.根据权利要求1所述的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，所述自供电开关电路由二极管D6、D7和三极管T1、T2组成；所述二极管D6的正极与三极管T1的集电极相连接、负极与三极管T2的基极相连接；所述二极管D7的正极与二极管D8的正极相连接、负极与三极管T2的集电极相连接；所述三极管T1的集电极与电容C1的一端相连接。
6.根据权利要求4所述的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，所述自供电开关电路的时间延迟与峰值检测电路中的电阻R1、电容C1、二极管D5导通压降，低时延分压电路中的电阻R2、二极管D8导通压降，以及三极管T1基极-发射极导通阈值电压密切相关，且减小电阻R2的值或减小电阻R1和电容C1的乘积均可减小自供电开关电路的时间延迟。
7.根据权利要求1所述的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，自供电开关电路所用电能由压电发电产生。
8.根据权利要求1所述的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，自供电开关电路仅在压电发电结构振动位移到达最大幅值时才闭合，其它时刻都处于断开状态。
9.根据权利要求1所述的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，所述电荷提取电路的AC-DC转换效率与负载无关，无需进行阻抗匹配。
10.根据权利要求1所述的低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，其特征在于，所述压电发电结构由压电材料和弹性基体组成，所述压电材料为锆钛酸铅压电材料、压电复合材料或聚偏氟乙烯压电材料；所述压电发电结构可以为任意形状。
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