CN109921664B - 一种基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路，通过将同步开关能量收集电路集成于全桥电路中，使用跨接在全桥电路桥臂上的开关电容电路，完成压电发电机输出电压同步多次翻转，达到提升压电能量收集效率的目的。一种基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路，由全桥电路、开关电容电路组成。

Description

一种基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的 压电能量收集接口电路

技术领域

本发明主要涉及一种基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路。

背景技术

压电发电机输出高阻交流电，而用电设备需要直流电，因此压电能量收集接口电路需要整流。传统全桥整流浪费了部分压电发电机生成的电荷，减少了流入负载的功率。解决它的一个有效方法是采用同步开关电感技术，即通过外部电感与压电发电机固有的内部电容构成的谐振回路对本会被浪费的电荷进行回收和利用，同步翻转压电发电机的输出电压，从而提升压电能量收集效率。然而由于谐振回路的品质因数不高，导致采用同步开关电感技术的能量损耗较大，电压翻转比不高，严重影响效率。同时大的外部电感的使用不利于电路的微小化。因此需要设计一种压电能量收集接口电路，即能降低同步电压翻转时产生的能耗，又能不使用外部电感以降低电路体积。

发明内容

针对上述问题，提出了一种基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路。解决方案为：一种基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路，其特征在于：包括全桥电路和开关电容电路；压电发电机放跨接在所述全桥电路的输入端；所述全桥电路的输出端连接滤波电容和负载电阻；所述全桥电路由两个开关和两个二极管组成；所述的两个开关和所述的两个二极管分别位于所述全桥电路的桥臂上；所述开关电容电路由开关和电容组成；所述开关电容电路分别跨接在所述全桥电路中的所述两个开关所在的所述桥臂的两端；所述开关电容电路由可配置开关组(S₁、S₂、……、S_2k)、可配置电容组(C₁、C₂、……、C_2k)组成；所述可配置开关组(S₁、S₂、……、S_2k)每个奇数序号的开关(S₁、S₃、……、S_2k-1)的一端对应的连接到所述可配置电容组(C₁、C₂、……、C_2k)中每个奇数序号的电容(C₁、C₃、……、C_2k-1)的一端；所述奇数序号的开关(S₁、S₃、……、S_2k-1)的公共端连接到所述全桥电路中的所述两个开关中的一个开关所在的桥臂的一端；所述奇数序号的电容(C₁、C₃、……、C_2k-1)的公共端连接到所述全桥电路中的所述两个开关中的一个开关所在的桥臂的另一端；所述可配置开关组(S₁、S₂、……、S_2k)中每个偶数序号的开关(S₂、S₄、……、S_2k)的一端对应的连接到所述可配置电容组(C₁、C₂、……、C_2k)中每个偶数序号的电容(C₂、C₄、……、C_2k)的一端；所述偶数序号的开关(S₂、S₄、……、S_2k)的公共端连接到所述全桥电路中的所述两个开关中的另一个开关所在的桥臂的一端；所述偶数序号电容(C₂、C₄、……、C_2k)的公共端连接到所述全桥电路中的所述两个开关中的另一个开关所在的桥臂的另一端。

本发明提出的一种基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路，其优点在于：

1.不需要使用外部电感；

2.不需要复杂的开关驱动电路；

3.电路结构简单益于集成。

附图说明

图1是本发明公开的基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路；

图2是本发明公开的基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路实施例示意图；

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。

图1为本发明的基于全桥实现的电压同步多次翻转压电能量收集电路，其中，符号‘---’表示不连接或直接相连，符号‘…’表示依次类推。

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，配合附图2对集成开关电容电路于全桥电路以实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路的工作过程描述如下：

1.在压电发电机输出交流电流i_p从正到负穿过零点前，开关SW₂接通，二极管D₁导通，开关SW₁、S₁和S₂断开，D₂关闭，电流i_p经器件(D₁–压电发电机–SW₂)流入负载R_L和C_L；

2.当电流i_p接近零点时，S₁接通，形成一个经器件(S₁–C₁–压电发电机–SW₂–S₁)的回路，由于电容C₁上已储存的电压V_C1，所以完成对压电发电机输出电压V_BA的一次小翻转；

3.当环路电流i₁回到零点时，断开S₁，并接通SW₁，此时形成一个经器件(SW₁–压电发电机–SW₂–SW₁)的回路，压电发电机输出被短路，所以发电机的输出电压V_BA为零；

4.当环路电流i₁再次回到零点时，断开SW₂，并接通S₂，此时形成一个经器件(S₂–SW₁–压电发电机–C₂–S₂)的回路，由于电容C₂上已储存的电压V_C2，压电发电机输出电压V_BA完成一次小翻转，被翻转至负，当环路电流i₁再次回到零点时，断开S₂，至此，即结束了电路在电流i_p每正半周期对电压V_BA的翻转操作；

5.当电流i_p为负，反向对压电发电机内部电容C_P充电，导致结点B的电压下降，一旦电压下降至零，D₂导通，电流i_p经器件(D₂–压电发电机–SW₁)流向负载R_L和C_L；

6.当交流电流i_P从负到正穿过零点时，由于对称的电路结构，电路将基于同样的运行原理重复上面的过程，但用到的是不同的回路，从而实现电路在电流i_P每负半周期对电压V_BA的翻转操作；

7.当电流i_P再次从正到负穿过零点时电路将又回到序号A所在的工作状态，重复上述运行过程。

综上所述，图2所示的电路即完成了将原本执行一次的电压大翻转拆分成3次小翻转的工作过程，所以降低了电压翻转过程中所产生的欧姆损耗。若激振情况保持不变，那么由于电容C₁(C₂)在电流i_P正半周期被充电(放电)，而在负半周期被放电(充电)，所以电容电压v_c1和v_c2最终达到稳态，维持在一个相对恒定的电压值。容易推出，若要拆分更多次的电压小翻转，只需配置更多的开关与对应的电容即可。但代价是更复杂的控制，带来更多的功耗，所以在实际设计过程中要进行折中。

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 (1)

1.一种基于集成开关电容的全桥电路实现电压同步多次翻转的压电能量收集接口电路，其特征在于：包括全桥电路和开关电容电路；压电发电机放跨接在所述全桥电路的输入端；所述全桥电路的输出端连接滤波电路和负载电阻；所述全桥电路由两个开关和两个二极管组成；所述的两个开关和所述的两个二极管分别位于所述全桥电路的桥臂上；所述全桥电路的直流输出端的一端为开关SW₁与开关SW₂的连接结点，另一端为二极管D₁的阳极与二极管D₂阳极的连接结点；所述开关电容电路由开关和电容组成；所述开关电容电路分别跨接在所述全桥电路中的所述两个开关所在的所述桥臂的两端；所述开关电容电路由可配置开关组S₁、S₂、……、S_2k、可配置电容组C₁、C₂、……、C_2k组成；所述可配置开关组S₁、S₂、……、S_2k每个奇数序号的开关S₁、S₃、……、S_2k-1的一端对应的连接到所述可配置电容组C₁、C₂、……、C_2k中每个奇数序号的电容C₁、C₃、……、C_2k-1的一端；所述奇数序号的开关S₁、S₃、……、S_2k-1的公共端连接到所述全桥电路中的所述两个开关中的一个开关所在的桥臂的一端；所述奇数序号的电容C₁、C₃、……、C_2k-1的公共端连接到所述全桥电路中的所述两个开关中的一个开关所在的桥臂的另一端；所述可配置开关组S₁、S₂、……、S_2k中每个偶数序号的开关S₂、S₄、……、S_2k的一端对应的连接到所述可配置电容组C₁、C₂、……、C_2k中每个偶数序号的电容C₂、C₄、……、C_2k的一端；所述偶数序号的开关S₂、S₄、……、S_2k的公共端连接到所述全桥电路中的所述两个开关中的另一个开关所在的桥臂的一端；所述偶数序号电容C₂、C₄、……、C_2k的公共端连接到所述全桥电路中的所述两个开关中的另一个开关所在的桥臂的另一端。

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