CN112039368A - 一种基于翻转倍压电荷提取的可拓展的能量俘获接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于翻转倍压电荷提取的可拓展的能量俘获接口电路，特点是包括多个压电能采集模块、续流电感、翻转电感、续流二极管、储能电容和负载；优点是整体电路通过翻转倍压来大幅度的提高对压电能量的采集效率，并通过结构设计使得压电能采集模块可以不断叠加，通过共用电感来同时俘获多个压电片中的能量，翻转倍压使得提取效率变高，压电片与负载之间不形成回路，使得能量俘获效率的负载相关性大大减小；电路是完全自供电的，不需要外接电源，因此不会产生额外功耗；而且整个电路结构是可叠加的，可以根据实际的应用场景增加或减少压电能采集模块，以适用于不同的工作环境。

Description

一种基于翻转倍压电荷提取的可拓展的能量俘获接口电路

技术领域

本发明涉及一种能量采集电路结构，尤其是一种基于翻转倍压电荷提取的可拓展的能量俘获接口电路。

背景技术

随着物联网的发展和无线传感器网络的广泛使用，以电池为主的供能方式的弊端日渐显露，因此，与之相关的环境能量收集技术因其诸多优点而得到了人们越来越多的重视，压电式振动能量俘获装置是利用压电材料的正压电效应，将环境中的振动能转换为电能，因其具有能量密度大、结构简单、无电磁干扰、对环境没有污染、便于实现微型化、集成化等多项优点，可为无线传感网络、微机电系统等低功耗系统实现电力供应，具有良好的应用前景，是目前的研究热点。

但压电换能器输出的是交流信号，而常见的微型电子设备供电是需要稳定的直流电压，所以，在压电元件与用电设备之间需要设计接口电路，最常见的交流-直流变换电路是全桥整流电路，但是由于压电元件的内部寄生电容的存在，电压电流总是存在一定的相位差，导致这种电路存在无功功率，所以采集效率比较低，且受负载影响较大，因此有人提出同步电荷提取电路，利用LC谐振进行buck-boost式的能量提取，提高了一定的效率，减少了负载相关性，又有人在此基础上提出翻转倍压来提高能量俘获效率的电路设计，但这些电路的结构过于复杂，并且需要外接电源，会产生额外功耗，而且电路只针对单个压电片进行能量提取，使得实际应用中俘获能量效率受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过翻转倍压来大幅度的提高压电能量采集效率的基于翻转倍压电荷提取的可拓展的能量俘获接口电路，通过结构设计使得压电能采集模块可以不断叠加，通过共用电感来同时俘获多个压电片中的能量。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于翻转倍压电荷提取的可拓展的能量俘获接口电路，包括多个压电能采集模块、续流电感、翻转电感、续流二极管、储能电容和负载，所述的压电能采集模块包括压电片、第一检测电容、第二检测电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第一NPN管、第一PNP管、第二PNP管和第二NPN管，所述的压电片的一端、所述的第一二极管的阳极、所述的第一NPN管的基极、所述的第一PNP管的集电极、所述的第三二极管的阴极、所述的第四二极管的阳极及所述的第二PNP管的基极连接，所述的压电片的另一端、所述的第二二极管的阳极、所述的第五二极管的阳极、所述的第一检测电容的一端、所述的第二检测电容的一端及所述的第二NPN管的发射极连接，所述的第一检测电容的另一端、所述的第一NPN管的发射极及所述的第三二极管的阳极连接，所述的第二检测电容的另一端、所述的第二PNP管的发射极及所述的第四二极管的阴极连接，所述的第一NPN管的集电极与所述的第一PNP管的基极连接，所述的第二PNP管的集电极与所述的第二NPN管的基极连接，所述的第一二极管的阴极与所述的第二二极管的阴极均接地，所述的第一PNP管的发射极与所述的翻转电感的一端连接，所述的第五二极管的阴极与所述的翻转电感的另一端连接，所述的第二NPN管的集电极、所述的续流电感的一端及所述的续流二极管的阳极连接，所述的续流二极管的阴极、所述的储能电容的一端及所述的负载的一端连接，所述的储能电容的另一端、所述的负载的另一端及所述的续流电感的另一端均接地。

与现有技术相比，本发明的优点在于能量采集过程在一个周期内分为五个独立的过程，首先是充电过程，在一个周期开始时，随着压电片的运动，压电片内部寄生电容上的电压也从零开始增加，直至到达电压极值点；之后进入电压翻转过程，通过第一检测电容与第三二极管、第一NPN管构成的极值检测电路控制第一PNP管导通，压电片与翻转电感形成了一个LC谐振回路，经过1/2个LC谐振周期，压电片寄生电容上的电压通过翻转电感翻转了电压极性；然后开始反向充电过程，压电片内部寄生电容上的电压从前半周期到达的极值电压开始增加，直至再次到达一个电压极值点；接着进入电荷提取阶段，通过第二检测电容与第四二极管、第二PNP管构成的极值检测电路控制第二NPN管导通，压电片与续流电感形成了一个LC谐振回路，经过1/4个LC谐振周期，压电片寄生电容上的能量全部被提取到了续流电感上，此时第二NPN管被关断；最后是续流阶段，续流电感、续流二极管、储能电容及负载形成了回路，续流电感上的能量转移到负载端，完成了能量采集过程；其中，通过添加第五二极管能够有效防止多个压电能采集模块共同工作时出现的相互影响问题；

整体电路通过翻转倍压来大幅度的提高对压电能量的采集效率，并通过结构设计使得压电能采集模块可以不断叠加，通过共用电感来同时俘获多个压电片中的能量，翻转倍压使得提取效率变高，压电片与负载之间不形成回路，使得能量俘获效率的负载相关性大大减小；电路是完全自供电的，不需要外接电源，因此不会产生额外功耗；而且整个电路结构是可叠加的，可以根据实际的应用场景增加或减少压电能采集模块，以适用于不同的工作环境。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明中压电能采集模块的具体电路结构图。

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。

一种基于翻转倍压电荷提取的可拓展的能量俘获接口电路，包括多个压电能采集模块U、续流电感L1、翻转电感L2、续流二极管D、储能电容Csto和负载RL，压电能采集模块U包括压电片PZT、第一检测电容C1、第二检测电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第一NPN管Q1、第一PNP管Q2、第二PNP管Q3和第二NPN管Q4，压电片PZT的一端、第一二极管D1的阳极、第一NPN管Q1的基极、第一PNP管Q2的集电极、第三二极管D3的阴极、第四二极管D4的阳极及第二PNP管Q3的基极连接，压电片PZT的另一端、第二二极管D2的阳极、第五二极管D5的阳极、第一检测电容C1的一端、第二检测电容C2的一端及第二NPN管Q4的发射极连接，第一检测电容C1的另一端、第一NPN管Q1的发射极及第三二极管D3的阳极连接，第二检测电容C2的另一端、第二PNP管Q3的发射极及第四二极管D4的阴极连接，第一NPN管Q1的集电极与第一PNP管Q2的基极连接，第二PNP管Q3的集电极与第二NPN管Q4的基极连接，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阴极均接地，第一PNP管Q2的发射极与翻转电感L2的一端连接，第五二极管D5的阴极与翻转电感L2的另一端连接，第二NPN管Q4的集电极、续流电感L1的一端及续流二极管D的阳极连接，续流二极管D的阴极、储能电容Csto的一端及负载RL的一端连接，储能电容Csto的另一端、负载RL的另一端及续流电感L1的另一端均接地。

以上实施的工作原理如下：在压电片PZT的一端电压低于另一端电压的前半周期内，当压电片PZT的另一端电压与一端电压的差值高过第二二极管D2的导通压降时，第二二极管D2导通，压电片PZT高电位的另一端接地，随着压电片PZT两端的压差逐渐增加，第一电容C1的两端电势差也不断增大，直至压电片PZT的两端压差达到峰值，之后压电片PZT的两端压差开始减小，但由于第一电容C1上积累的电荷没有回路释放，因此第一电容C1的压差保持不变，直至两者之间的电压之差大于第一NPN管Q1的阈值电压与第三二极管D3的导通压降之和，此时第一NPN管Q1导通，从而导致第一PNP管Q2导通，此时，压电片PZT与第五二极管D5、第一PNP管Q2以及翻转电感L2构成一个主要的LC谐振回路，此外第一检测电容C1和第一NPN管Q1在回路中与压电片PZT并联，第二检测电容C2和第四二极管D4在回路中与压电片PZT并联，该回路经过1/4个LC谐振周期后，压电片PZT内部寄生电容、第一检测电容C1和第二检测电容C2上累积的电荷转移到翻转电感L2上，再经过1/4个LC谐振周期后，翻转电感L2上的电荷被翻转到压电片PZT内部检测电容及第一检测电容C1和第二检测电容C2上，此时第一PNP管Q2的发射极电压小于基极电压，第一PNP管Q2断开，即LC谐振回路断开，因此，压电片PZT两端电压通过翻转电感L2在经过1/2个LC谐振周期后实现了前半周期的电压极性反转；

在压电片PZT的一端电压高于另一端电压的后半个周期内，因为前半周期压电片PZT的电压在到达极值时进行了电压翻转，因此在后半周期开始时，压电片PZT的一端与另一端之间的电压差远远高于第一二极管D1的导通压降，即第一二极管D1导通，压电片PZT高电位的一端接地，随着压电片PZT两端的压差逐渐增加，第二检测电容C2的两端电势差也不断增大，直至压电片PZT的两端压差再次达到峰值，之后压电片PZT的两端压差开始减小，但由于第二检测电容C2上积累的电荷没有回路释放，因此第二检测电容C2的压差保持不变，直至两者之间的电压之差大于第二PNP管Q3的阈值电压与第四二极管D4的导通压降之和，此时第二PNP管Q3导通，从而导致第二NPN管Q4导通，此时，压电片PZT与第二NPN管Q4、续流电感L1形成一个主要的谐振回路，此外第一检测电容C1和第三二极管D3在回路中与压电片PZT并联，第二检测电容C2和第二PNP管Q3在回路中与压电片PZT并联，该回路经过1/4个LC谐振周期后，压电片PZT的内部寄生电容、第一检测电容C1和第二检测电容C2上累积的电荷转移到续流电感L1上，当续流电感L1上的电流达到最大值时，第一检测电容C1和第二检测电容C2上的电荷释放完毕，导致第二NPN管Q4断开，即LC谐振回路断开，然后续流电感L1、续流二极管D和储能电容Csto构成回路，续流电感L1上积累的能量通过续流二极管D流向储能电容Csto，从而实现了翻转倍压电荷提取电路的能量提取。

Claims (1)

1.一种基于翻转倍压电荷提取的可拓展的能量俘获接口电路，其特征在于包括多个压电能采集模块、续流电感、翻转电感、续流二极管、储能电容和负载，所述的压电能采集模块包括压电片、第一检测电容、第二检测电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第一NPN管、第一PNP管、第二PNP管和第二NPN管，所述的压电片的一端、所述的第一二极管的阳极、所述的第一NPN管的基极、所述的第一PNP管的集电极、所述的第三二极管的阴极、所述的第四二极管的阳极及所述的第二PNP管的基极连接，所述的压电片的另一端、所述的第二二极管的阳极、所述的第五二极管的阳极、所述的第一检测电容的一端、所述的第二检测电容的一端及所述的第二NPN管的发射极连接，所述的第一检测电容的另一端、所述的第一NPN管的发射极及所述的第三二极管的阳极连接，所述的第二检测电容的另一端、所述的第二PNP管的发射极及所述的第四二极管的阴极连接，所述的第一NPN管的集电极与所述的第一PNP管的基极连接，所述的第二PNP管的集电极与所述的第二NPN管的基极连接，所述的第一二极管的阴极与所述的第二二极管的阴极均接地，所述的第一PNP管的发射极与所述的翻转电感的一端连接，所述的第五二极管的阴极与所述的翻转电感的另一端连接，所述的第二NPN管的集电极、所述的续流电感的一端及所述的续流二极管的阳极连接，所述的续流二极管的阴极、所述的储能电容的一端及所述的负载的一端连接，所述的储能电容的另一端、所述的负载的另一端及所述的续流电感的另一端均接地。

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