CN112117931A - 压电振动能量采集电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压电振动能量采集电路，包括依次连接的压电元件、开关乘法升频电路、谐振电路、整流电路和储能电路，所述压电元件作为所述压电振动能量采集电路的输入端采集振荡能，所述储能电路的输出端作为所述压电振动能量采集电路的输出端。本电路通过采用开关乘法升频电路提高压电元件的输出频率，因此可以有效减小电路回路中需要的匹配电感，从而减小电路体积。

Description

压电振动能量采集电路
技术领域
本发明涉及压电能量采集领域，具体涉及一种压电振动能量采集电路。
背景技术
振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，其振动能来源丰富，足以满足应用需求，通过微机电系统(MEMS)可以方便的将振动能转化为所需电能。根据发电原理不同，振动能量采集器可以分为静电式、电磁式与压电式，其中，压电式振动能量采集方法因为其机械转换系数高、不需要外接电源、适用MEMS技术，成为振动能量采集领域研究的重点之一。
压电元件或压电振动能量采集装置一般由带压电耦合材料的振荡结构构成，负载阻抗必须和“电源”(压电元件或压电振动能量采集装置)实现阻抗匹配，才能得到较高的功率，如果将“电源”直接和负载连接，由于压电元件的输出频率较低，在低频率条件(<50Hz)下，如果对压电元件直接匹配，会因为压电材料的等效内部电容很小而导致所需的匹配电感非常大(万亨利)，因此，现有的压电振动能量采集电路的体积很大，给实际应用带来不变。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种压电振动能量采集电路，本电路通过采用开关乘法升频电路提高压电元件的输出频率，因此可以有效减小电路回路中需要的匹配电感，从而减小电路体积。本申请通过以下技术手段实现：
压电振动能量采集电路，包括依次连接的压电元件、开关乘法升频电路、谐振电路、整流电路和储能电路，所述压电元件作为所述压电振动能量采集电路的输入端采集振荡能，所述储能电路的输出端作为所述压电振动能量采集电路的输出端。
进一步地，所述开关乘法升频电路包括第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关和信号发生器，所述第一单刀双掷开关和所述第二单刀双掷开关的公共端分别与所述压电元件的两个出线端连接，所述第一单刀双掷开关的切换开关1的出线端与所述第二单刀双掷开关的切换开关2的出线端相连，所述第一单刀双掷开关的切换开关2的出线端与所述第二单刀双掷开关的切换开关1的出线端相连，所述第一单刀双掷开关和所述第二单刀双掷开关的开关控制端均与所述信号发生器的输出端连接且连接方式相同。
进一步地，所述信号发生器的输出信号为占空比1:1的高频方波信号。
进一步地，所述谐振电路包括相互连接的电容和电感，所述电容相对连接所述电感的另一端作为所述谐振电路的输入端与所述第一单刀双掷开关的切换开关1的出线端连接，所述电感相对连接所述电容的另一端作为所述谐振电路的输出端与所述整流电路的一个输入端连接，所述整流电路的另一个输入端与所述第一单刀双掷开关的切换开关2的出线端连接。
进一步地，所述谐振电路包括相互连接的电容和电感，所述电容相对连接所述电感的另一端作为所述谐振电路的一个输入端与所述第一单刀双掷开关的切换开关1的出线端连接，所述电感相对连接所述电容的另一端作为所述谐振电路的另一输入端与所述第一单刀双掷开关的切换开关2的出线端连接，所述电感两端作为所述谐振电路的输出端分别与所述整流电路的两个输入端连接。
进一步地，所述整流电路为全波整流电路。
进一步地，储能电路包括超级电容，所述超级电容的两端分别与所述整流电路的两个输出端连接，且所述超级电容的两端作为所述压电振动能量采集电路的输出端。
本申请提供的压电振动能量采集电路通过采用开关乘法升频电路提高压电元件的输出频率，因此可以有效减小电路回路中需要的匹配电感，从而减小电路体积，另外，本申请提供的开关乘法升频电路，不管是信号发生器输出高电平还是低电平，在整个工作过程中开关乘法升频电路始终与压电元件接通，从而使开关乘法升频电路与压电元件之间不存在占空比问题，可以将压电元件采集的能量全部提取出来，具有很高的能量转换效率。
附图说明
图1为根据一示例性实施例提供的一种压电振动能量采集电路结构示意图。
图2为根据一示例性实施例示出的经开关乘法升频电路升频后输出的类调幅波形图。
图3为根据一示例性实施例提供的另一种压电振动能量采集电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种压电振动能量采集电路，包括依次连接的压电元件、开关乘法升频电路、谐振电路、整流电路和储能电路，所述压电元件作为所述压电振动能量采集电路的输入端采集振荡能，所述储能电路的输出端作为所述压电振动能量采集电路的输出端。图1中的压电元件用PZT表示，负载RL与本实施例提供的压电振动能量采集电路的输出端连接。
本实施例中，当环境发生低频振动时，压电元件产生低频交变电信号输出给开关乘法升频电路，在开关乘法升频电路的作用下，可以实现压电元件的低频波形与开关乘法升频电路的高频波形相乘，得到高频率的类调幅波电信号，从而可以减小谐振电路中的匹配电感，高频率的类调幅波电信号作用在谐振电路上使电路产生谐振，使本实施例在减小电路体积的同时可以在谐振时获得最大的能量传输。
作为优选，本实施例中，所述开关乘法升频电路包括第一单刀双掷开关S1、第二单刀双掷开关S2和信号发生器，所述第一单刀双掷开关S1和所述第二单刀双掷开关S2的公共端分别与所述压电元件的两个出线端连接，所述第一单刀双掷开关S1的切换开关1的出线端与所述第二单刀双掷开关的切换开关2的出线端相连，所述第一单刀双掷开关S1的切换开关2的出线端与所述第二单刀双掷开关的切换开关1的出线端相连，所述第一单刀双掷开关S1和所述第二单刀双掷开关S2的开关控制端均与所述信号发生器的输出端连接且连接方式相同。
本实施例中，第一单刀双掷开关S1和第二单刀双掷开关S2可以采用低功耗的低导通电阻的双向模拟开关，信号发生器可以由低功耗的元件构成。具体实施本实施例时，信号发生器产生高频率的方波信号，同步控制第一单刀双掷开关S1和第二单刀双掷开关S2的快速切换，实现压电元件的低频波形与控制切换开关的高频方波相乘，这样就将压电元件输出的低频波形转换成高频率的类调幅波的波形，具体地，当环境发生低频振动时，振动能量采集器中的压电元件产生低频交变电信号输出，同时信号发生器输出高频率的方波，当信号发生器输出高电平时，第一单刀双掷开关S1控制第一单刀双掷开关S1的切换开关1接通且第二单刀双掷开关S2的控制端控制第二单刀双掷开关S2的切换开关1接通，压电元件产生的电信号经第一单刀双掷开关S1的切换开关1、后续电路(谐振电路、整流桥等)、第二单刀双掷开关S2的切换开关1流回压电元件，这时后续电路将获得自上而下的电流；当信号发生器输出为低电平时，第一单刀双掷开关S1控制第一单刀双掷开关S1的切换开关2接通且第二单刀双掷开关S2的控制端控制第二单刀双掷开关S2的切换开关2接通，压电元件产生的电信号经第一单刀双掷开关的切换开关2、后续电路、第二单刀双掷开关的切换开关2流回压电元件，这时后续电路将获得自下而上的电流。信号发生器不断地控制第一单刀双掷开关S1和第二单刀双掷开关S2在各自的切换开关1和切换开关2之间来回切换，不管是两个单刀双掷开关的切换开关1的出线端之间还是两个单刀双掷开关的切换开关2的出线端之间均将输出高频率的类调幅波的电信号，也就实现压电元件的低频波形与控制切换开关的高频方波相乘。重要的是，本实施例中，不管是信号发生器输出高电平还是低电平，在整个工作过程中开关乘法升频电路始终与压电元件接通，从而使开关乘法升频电路与压电元件之间不存在占空比问题，可以将压电元件采集的能量全部提取出来，具有很高的能量转换效率。
如图2所示，为压电元件的输出信号在经过开关乘法升频电路后输出的类调幅波形图，图中V1为压电元件两端的电压，V2为升频后输出的类调幅波形电压。
作为优选，本实施例中，信号发生器的输出信号为占空比1:1的高频方波信号。
作为优选，本实施例中的谐振电路可以为串联谐振电路，具体地，所述谐振电路包括相互连接的电容C和电感L，所述电容C相对连接所述电感L的另一端作为所述谐振电路的输入端与所述第一单刀双掷开关S1的切换开关1的出线端连接，所述电感L相对连接所述电容C的另一端作为所述谐振电路的输出端与所述整流电路的一个输入端连接，所述整流电路的另一个输入端与所述第一单刀双掷开关S1的切换开关2的出线端连接。
实施本实施例时，当电路发生谐振，压电元件自身电容、谐振电路中的电容、谐振电路中的电感的总阻抗接近为零，相当于压电元件的内阻变为零，压点元件产生的电压全部施加在整流电路上，因此可以将压电元件产生的电能全部提取出来，开关乘法升频电路输出的高频类调幅波电信号经过整流电路的整流，转换成直流电，存储在储能电路上，然后再向负载提供电能。另外，串联谐振电路的谐振频率主要取决于开关乘法升频电路的开关切换频率，与环境振动的频率几乎无关，因此，本实施例提供的压电能量采集电路具备宽频采集性能。
作为另一种优选，如图3所示，本实施例中的谐振电路可以为并联谐振电路，具体地，所述谐振电路包括相互连接的电容C和电感L，所述电容C相对连接所述电感L的另一端作为所述谐振电路的一个输入端与所述第一单刀双掷开关S1的切换开关1的出线端连接，所述电感L相对连接所述电容C的另一端作为所述谐振电路的另一输入端与所述第一单刀双掷开关S1的切换开关2的出线端连接，所述电感L两端作为所述谐振电路的输出端分别与所述整流电路的两个输入端连接。
作为优选，本实施例中的整流电路可以为全波整流电路，具体地，如图1或图3所示，整流电路包括四个二极管，二极管可以选择导通压降低的且导通电阻低的二极管。
作为优选，本实施例中的储能电路可以包括超级电容Cr，所述超级电容Cr的两端分别与所述整流电路的两个输出端连接，且所述超级电容Cr的两端作为所述压电振动能量采集电路的输出端。
作为仿真举例，压电元件的受夹电容CP＝50nF，环境机械振动频率f＝50Hz，电流源幅值IpM＝100uA，信号发生器的输出频率1kHz，负载RL＝100kΩ，存储电容Cr＝20mF。仿真得到的负载功率为5.19mW。在同样的条件下，如果采用标准能量采集电路，且用在最优负载电阻(RL＝100kΩ)上时，获得的最大功率为0.092mW。本发明获得的功率是标准能量采集电路的56.4倍。目前，报道的同步电荷提取电路获得的最高功率是标准能量采集电路的8-10倍，因此本发明获得的功率也远高于同步电荷提取电路获得的功率。保持信号发生器的输出频率1kHz、负载电阻为100kΩ不变时，仿真得到的负载功率随振动频率变化的规律如表1所示。
表1
振动频率(Hz) 10 20 30 40 50 60 70
负载功率(mW) 42.96 19.359 12.495 8.266 5.19 4.071 2.66
从该表中可以看出，本实施例提出的压电振动能量采集电路在很宽的振动频率范围内都能输出很高的功率，因此本能量管理电路具备宽频能量的采集性能，且振动频率越低能量提取效率越高。而普通的能量采集电路，振动频率低时，能量提取效率低，只在频率高时，提取效率才高。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.压电振动能量采集电路，其特征在于，包括依次连接的压电元件、开关乘法升频电路、谐振电路、整流电路和储能电路，所述压电元件作为所述压电振动能量采集电路的输入端采集振荡能，所述储能电路的输出端作为所述压电振动能量采集电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的压电振动能量采集电路，其特征在于，所述开关乘法升频电路包括第一单刀双掷开关(S1)、第二单刀双掷开关(S2)和信号发生器，所述第一单刀双掷开关(S1)和所述第二单刀双掷开关(S2)的公共端分别与所述压电元件的两个出线端连接，所述第一单刀双掷开关(S1)的切换开关1的出线端与所述第二单刀双掷开关的切换开关2的出线端相连，所述第一单刀双掷开关(S1)的切换开关2的出线端与所述第二单刀双掷开关的切换开关1的出线端相连，所述第一单刀双掷开关(S1)和所述第二单刀双掷开关(S2)的开关控制端均与所述信号发生器的输出端连接且连接方式相同。
3.根据权利要求2所述的压电振动能量采集电路，其特征在于，所述信号发生器的输出信号为占空比1:1的高频方波信号。
4.根据权利要求1所述的压电振动能量采集电路，其特征在于，所述谐振电路包括相互连接的电容(C)和电感(L)，所述电容(C)相对连接所述电感(L)的另一端作为所述谐振电路的输入端与所述第一单刀双掷开关(S1)的切换开关1的出线端连接，所述电感(L)相对连接所述电容(C)的另一端作为所述谐振电路的输出端与所述整流电路的一个输入端连接，所述整流电路的另一个输入端与所述第一单刀双掷开关(S1)的切换开关2的出线端连接。
5.根据权利要求1所述的压电振动能量采集电路，其特征在于，所述谐振电路包括相互连接的电容(C)和电感(L)，所述电容(C)相对连接所述电感(L)的另一端作为所述谐振电路的一个输入端与所述第一单刀双掷开关(S1)的切换开关1的出线端连接，所述电感(L)相对连接所述电容(C)的另一端作为所述谐振电路的另一输入端与所述第一单刀双掷开关(S1)的切换开关2的出线端连接，所述电感(L)两端作为所述谐振电路的输出端分别与所述整流电路的两个输入端连接。
6.根据权利要求1所述的压电振动能量采集电路，其特征在于，所述整流电路为全波整流电路。
7.根据权利要求1所述的压电振动能量采集电路，其特征在于，储能电路包括超级电容(Cr)，所述超级电容(Cr)的两端分别与所述整流电路的两个输出端连接，且所述超级电容(Cr)的两端作为所述压电振动能量采集电路的输出端。
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