CN112332705A - 一种基于mppt的压电式可拓展能量采集接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，包括可拓展压电换能器，数量与压电换能器结构相对应的可拓展峰值检测开关，LC谐振电感，整流电路，整流电容，DC‑DC转换芯片，储能电容。其中最大功率点跟踪（MPPT）模块由峰值电压跟踪电路和滞回电压比较器构成。可拓展压电换能器，可拓展峰值检测开关，LC谐振电感，整流电路，整流电容构成可拓展串联同步开关电感能量采集接口电路。最大功率点跟踪（MPPT）模块在可拓展串联同步开关电感能量采集接口电路正常工作期间检测压电换能器的峰值开路电压及整流电容两端的电压，并通过控制DC‑DC转换芯片将整流电容电压保持在最大输出功率附近。电路可以完全自供电，极大的提高了能量采集的效率。

Description

一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路

技术领域

本发明属于压电振动能量采集技术领域，具体涉及一种基于最大功率点跟踪（MPPT）的压电式可拓展能量采集接口电路。

背景技术

当今世界面临着能源短缺及环境污染等严重问题，开发和利用新能源来代替传统的能源是解决这些问题的有效方法，自然界存在太阳能，振动能，热能及无线电波能及多种能量。采集和存储自然界中的能量并加以利用具有广阔的工程应用前景。

在多种环境能量形式中，振动能在自然界中是普遍存在的，如人体运动、交通工具运行、工业机器运作及大自然中的空气和水等带来的振动。振动能量的采集不受太阳能、电磁能等形式的能量使用时间和采集环境等因素的限制，同时具有较高的能量密度，是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术。

振动能量采集的形式主要有静电式、电磁式及压电式。其中压电式能量采集系统由于结构简单、无电磁干扰、无污染、易于加工及实现微型化、集成化等诸多有点而使用广泛。随着集成电路及嵌入式技术的发展，压电式能量采集系统取代传统的电池为无线传感网络及低功耗嵌入式系统供电成为了现实。典型的压电式振动能量俘获系统由压电换能器和压电式能量采集接口电路。典型的压电换能器采用悬臂梁结构，主要由弹性基体和压电材料组成，将压电材料固定在弹性基体上，弹性基体一端固定，一端放置质量块来降低压电环能器的共振频率。在外界振动源的激励下弹性悬臂梁基体以固有频率振动，带动压电材料的振动从而将振动能转化为电能。压电式能量采集接口电路将压电换能器产生的交流电转化为直流电后存储与储能设备中。标准的桥式整流接口电路由四个肖特基二极管和整流电容构成，虽然可以方便地实现AC-DC转换，但是整流电容两端的电压会钳制输出电压的大小，且只有负载阻抗与压电换能器输出阻抗相匹配时，负载上才能获得最大的电能，因此标准的桥式整流接口电路的能量采集效率较低。为了提高能量采集效率人们提出了串联同步开关电感能量采集接口电路，在压电换能器和整流桥之间放置了一个开关和电感，且与压电换能器串行连接。开关在压电换能器振动位移达到极值时闭合，开关闭合以后压电换能器的寄生电容和电感元件组成LC振荡回路，经过1/2个LC振荡周期压电换能器两端的电压产生翻转，开关断开。在开关闭合期间，压电元件上存储的能量经整流电路转移到整流电容上，开关断开后，整流电容储能为负载供电。串联同步开关电感能量采集接口电路使得压电输出电压与输出电流同相位，使更多的机械能转化为电能，但是此电路依然存在阻抗匹配的问题，同时需要提出精准的开关控制策略。

发明内容

本发明的目的：一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，提出了一种可拓展串联同步开关电感能量采集接口电路，用于压电式振动能量的采集，同时提出了一种最大功率跟踪技术，调整整流电容两端的电压和压电换能器峰值开路电压的比值，解决串联同步开关电感能量采集接口电路阻抗匹配的问题。所提出的最大功率跟踪技术在串联同步开关电感能量采集接口电路正常工作期间完成最大功率跟踪，无需断开压电换能器与负载电路测量其开路电压。同时提出了一种无源峰值检测技术以实现串联同步开关电感能量采集接口电路的开关控制策略。

为了实现本发明，采用的技术是：一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，包括可拓展换能器结构、可拓展峰值检测开关、LC谐振电感、整流电路、整流电容、DC-DC转换芯片、储能电容、峰值电压跟踪电路以及滞回电压比较器。峰值检测开关检测压电换能器两端的峰值电压，并闭合，压电换能器寄生电容与电感组成LC振荡电路，1/2个LC谐振后峰值检测开关闭合，压电换能器两端的电压实现翻转。在开关闭合期间压电换能器两端的能量传递至整流电容。峰值电压跟踪电路与滞回电压比较器组成最大功率点跟踪（MPPT）模块，在可拓展串联同步开关电感能量采集接口电路正常工作期间检测压电换能器的峰值开路电压及整流电容两端的电压，通过滞回电压比较器输出高低电平变化的控制信号控制DC-DC转换芯片，以完成对整流电容两端电压的调整，使整流电容两端的电压与压电换能器峰值开路电压的比值稳定在最大功率输出点附近。

本发明的有益效果：

1. 可拓展换能器结构，在同一个外部激励下振动，可以有效的增加采集到的电能，根据实际情况对换能器的个数进行扩展。

2. 提出了一种开关控制策略，采用四个三极管及一个电容元件构成了峰值检测开关，同时该峰值检测开关无需外部供电。

3. 提出了一种最大功率跟踪技术，由峰值电压跟踪电路与滞回电压比较器构成，无需将压电换能器与负载部分断开即可实现压电换能器两端的峰值开路电压的跟踪。滞回电压比较器将整流电容两端的电压分压后的电压与压电换能器两端的峰值开路电压分压后的电压进行比较，通过SR触发器及增强型PMOS管输出对DC-DC转换芯片控制的电平信号，进而调整整流电容电压与峰值开路电压的比值实现最大功率跟踪。

4. 所提出的最大功率点跟踪（MPPT）模块的电源由储能电容提供，整个系统可以实现自供电，无需外接电源。在储能电容两端的电压不足时，电路工作在直接充电模式，最大功率点跟踪（MPPT）模块停止工作，整流电容通过DC-DC转换芯片对储能电容直接充电，反之电路工作最大功率点跟踪（MPPT）充电模式。

附图说明

图1为本发明一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路的整体结构简图;

图2为本发明一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路的第一压电换能器与第一峰值检测开关;

图3为本发明一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路的正半周期LC振荡电路;图4为本发明一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路的整流电路;

图5为本发明一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路的峰值电压跟踪电路;

图6为本发明一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路的滞回电压比较器;

图7为本发明一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路的整体电路图;

其中，1：可拓展压电换能器；2：可拓展峰值检测开关；3：LC谐振电感；4：整流电路；5：整流电容；6：DC-DC转换芯片；7：储能电容；8：峰值电压跟踪电路；9：滞回电压比较器。

具体实施方式

一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，包括可拓展压电换能器（1）、可拓展峰值检测开关（2）、LC谐振电感（3）、整流电路（4）、整流电容（5）、DC-DC转换芯片（6）、储能电容（7）、峰值电压跟踪电路（8）、滞回电压比较器（9）。

工作原理：可拓展压电换能器（1）中压电换能器结构的等效电路模型及参数均相等，振动激励相同，因此等效电流源的输出电流同步且峰值开路电压均相等，可拓展峰值检测开关（2）中的峰值检测开关结构相同且元件参数均相等，且多个压电换能器与对应的峰值检测开关组成的可拓展结构之间相互并联，且独立工作，因此在进行压电换能器与峰值检测开关工作原理分析时，仅对第一压电换能器与第一峰值检测开关原理进行分析，第一压电换能器的等效电路模型及第一峰值检测开关的电路结构如图2所示，由于压电换能器等效电流源的峰值开路电压均相等，因此峰值电压跟踪电路（8）仅需要检测第一压电换能器的峰值开路电压。如图2所示，当第一压电换能器等效电流源I_p1两端的电压在正半周期内增加时（V_pa1>V_pb1），等效电流源I_p1对寄生电容C_p1充电，当等效电流源I_p1两端电压高于晶体三极管Q₁₃的发射结导通阈值电压时，检测电容C₁开始充电。随着压电元件移动到正向最大位移处时，I_p1输出开路电压达到最大，此时I_p1输出电流过零点，电容C_p1、C₁电压均达到最大值，此后压电片开始反向移动，电容C_p1反向充电，其两端电压值减小，晶体三极管Q₁₃的发射结反向偏置，直到电容C_p1两端的电压比检测电容C₁两端的电压低于晶体三极管Q₁₁的发射结导通阈值电压时，晶体管Q₁₁、Q₁₂导通，此时第一峰值检测开关导通。

如图3所示，当第一峰值检测开关导通时，寄生电容C_p1与晶体三极管Q₁₂的集电极—发射极、电感L、整流电路的D₁和D₄以及整流电容（5）C_r形成正半周期LC振荡回路。经过1/2个LC振荡周期，第一峰值检测开关关断，寄生电容C_p1两端的电压完成翻转，在开关闭合期间压电换能器两端的能量传递至整流电容。在负半周期时（V_pb1>V_pa1）电路以类似的原理进行工作。

如图5、图6所示，峰值电压跟踪电路（8）、滞回电压比较器（9）的工作电压由储能电容（7）C₀两端的电压提供，在储能电容（7）C₀两端的电压V_cc不足时，电路工作在直接充电模式，当V_cc准备就绪时，激活最大功率点跟踪（MPPT）充电模式，此时峰值电压跟踪电路（8）跟踪第一压电换能器的峰值开路电压，通过电阻R₁、R₂产生分压信号V_{pa dv}。通过两个集成运放U_A1和U_A2输出信号V_M，V_M等于max{V_{pa dv}}。滞回电压比较器（9）通过分压电阻R₄～R₉对电压V_M进行分压产生两个阈值电压V_{M dvL}和V_{M dvH}（V_{M dvH}>V_{M dvL}）。整流电容（5）C_r两端的电压V_r经分压电阻R₇、R₈产生V_{r dv}。运算放大器U_B1和U_B2构成两个独立工作的电压比较器，将V_{r dv}分别与两个阈值电压V_{M dvL}和V_{M dvH}进行比较，输出两个相反的电平信号，进而控制SR触发器产生高低变化的脉冲信号。当V_{r dv}>V_{M dvH}时，使能DC-DC转换芯片（6），V_r对储能电容（7）C₀充电，进而使V_{r dv}下降，当V_{r dv}<V_{M dvL}时，关断DC-DC转换芯片（6），V_r停止对储能电容（7）C₀充电，V_{r dv}上升，因此选取合适的电阻R₁～R₉的阻值就可以使整流电容（5）电压和换能器开路电压的比值稳定在最大输出功率点附近。对于给定的换能器开路电压，V_M随着V_r的增加而减小，因此调节范围△V_r随着V_r的增加而逐渐变窄，自动的提高了MPPT的精度。

具体连接方式：电路的整体结构简图如图1所示，可拓展压电换能器（1）的负端均相连，且连接至整流电路（4）输入端1，正端均接至与其对应的可拓展峰值检测开关（2）的一端。可拓展峰值检测开关（2）的另一端均与所述的LC谐振电感（3）的一端2相连，1和2之间的单个压电换能器和与其对应的峰值检测开关构成可拓展结构单元。LC谐振电感（3）的另一端连接至整流电路（4）输入端3，整流电路（4）的输出端4、5接至所述的整流电容（5）的两端，且输出端5接地。DC-DC转换芯片（6）输入端IN与整流电路（4）的输出端4相连，使能端EN与所述的滞回电压比较器（9）输出端相连，输出端OUT与所述的储能电容（7）一端相连，储能电容（7）的另一端接地。所述的峰值电压跟踪电路（8）的输入端6与所述的可拓展的压电换能器（1）中的第一压电换能器相连，输出端7与所述的滞回电压比较器（9）的输入端相连。

可拓展压电换能器（1）中压电换能器结构的等效电路模型及参数均相等，振动激励均相同，因此等效电流源的输出电流同步且峰值开路电压均相等。可拓展峰值检测开关（2）中的峰值检测开关结构相同且元件参数均相等，单个压电换能器和与其对应的峰值检测开关组成可拓展结构单元，可拓展结构两两相互并联，独立工作。如图2所示，可拓展压电换能器（1）中的第一压电换能器等效为电流源I_p1与电容C_p1并联，等效电流源I_p1的两端V_pa1、V_pb1分别作为第一压电换能器的正端和负端。可拓展峰值检测开关（2）中的第一峰值检测开关由检测电容C₁、三极管Q₁₁～Q₁₄构成，三极管Q₁₁、Q₁₄为PNP型三极管，三极管Q₁₂、Q₁₃为NPN型三极管，三极管Q₁₁和Q₁₃的基极与等效电流源I_p1的一端V_pa1相连，发射极与所述检测电容C₁的一端相连，集电极分别与所述的三极管Q₁₂和Q₁₄的基极相连，检测电容C₁的另一端与等效电流源I_p1的一端V_pb1相连，三极管Q₁₂和Q₁₄的集电极分别与三极管Q₁₁和Q₁₃的基极相连，发射极与所述的LC谐振电感L（3）的一端2相连。LC谐振电感L（3）的另一端接至整流电路（4）的输入端3。

如图4所示，整流电路（4）由二极管D₁～D₄构成，D₁、D₃串联后与D₂、D₄形成的串联支路并联，D₁、D₃之间作为输入端3，D₂、D₄之间作为输入端1，D₁、D₂之间作为输出端4，D₃、D₄之间作为输出端5。整流电路（4）的输入端3与LC谐振电感（3）的一端相连，输入端1与等效电流源I_p1的一端V_pb1相连，其输出端4、5分别与所述的整流电容（5）C_r的两端相连，且输出端4接至所述的DC-DC转换芯片TPS60205（6）的输入端IN，输出端5接地。

DC-DC转换芯片TPS60205（6）的输入端IN与整流电路（4）的输出端4相连，其输出端OUT与所述的储能电容（7）C₀的一端相连，其使能端EN接至滞回电压比较器（9）的输出端，储能电容（7）C₀的另一端接地。

峰值电压跟踪电路（8）、滞回电压比较器（9）组成的最大功率点跟踪（MPPT）模块。如图5所示，峰值电压跟踪电路（8）包括运算放大器U_A1、U_A2，电阻R₁、R₂，二极管D₅、D₆以及电容C₃。电阻R₁的一端作为峰值电压跟踪电路（8）的输入端6与可拓展压电换能器（1）中的第一压电换能器正端相连，输入电压为V_pa1，电阻R₁和R₂作为分压电阻串联后对输入电压V_pa1进行分压，电阻R₂的一端接地，电阻R₂两端的电压V_{pa1 dv}作为运算放大器U_A1的同相端输入信号。二极管D₅接至运算放大器U_A1的反相输入端和输出端之间，二极管D₆接至运算放大器U_A1的输出端与运算放大器U_A2的同相输入端之间，电容C₃的一端与运算放大器U_A2的同相输入端相连，另一端与地相连。将电容C₃两端的电压作为运算放大器U_A2的同相端输入信号，运算放大器U_A2的输出端与反相输入端相连构成电压跟随器，并将反馈的信号通过电阻R₃反馈至运算放大器U_A1的反相输入端，运算放大器U_A2的输出端作为峰值电压跟踪电路（8）的输出端7，且与所述的滞回电压比较器（9）的输入端相连，输出电压为V_M。

如图6所示，滞回电压比较器（9）包括分压电阻R₄～R₉，运算放大器U_B1、U_B2，SR触发器U₀，增强型PMOS管M以及上拉电阻R_L，分压电阻R₄，R₆串联后对的输入电压V_M进行分压，电阻R₆的一端与峰值电压跟踪电路（8）的输出端7相连，电阻R₄的一端接地，电阻R₄两端的分得的电压值为V_{M dvL}，分压电阻R₅，R₇串联后对的输入电压V_M进行分压，电阻R₅的一端与峰值电压跟踪电路（8）的输出端7相连，电阻R₇的一端接地，电阻R₇两端的分得的电压值为V_{M dvH}，将分压值V_{M dvH}、V_{M dvL}分别作为所述的运算放大器U_B1的反相端输入电压和运算放大器U_B2的同相端输入电压，分压电阻R₈，R₉串联后对所述的整流电容（5）C_r两端的电压V_r进行分压，电阻R₉的一端接至输入电压V_r，电阻R₈的一端接地，电阻R₈两端的分得的电压值为V_{r dv}，将分压值V_{r dv}作为运算放大器U_B1的同相输入端电压及运算放大器U_B2的反相输入端电压，运算放大器U_B1、U_B2构成两个电压比较器，输出高低不同的电平信号，且输出端分别与SR触发器的置位端S和复位端R相连，SR触发器的输出端Q与所述的PMOS管M栅极相连，控制其导通和关断，上拉电阻R_L一端接入所述的整流电容（5）C_r两端的电压V_r，一端与PMOS的源极相连，输出电压信号Vout，且PMOS的源极与所述的DC-DC转换芯片（6）使能端EN相连，漏极接至地。

Claims (6)

1.一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，其特征在于包括可拓展的压电换能器（1）、与压电换能器数量相对应的可拓展峰值检测开关（2）、LC谐振电感（3）、整流电路（4）、整流电容（5）、DC-DC转换芯片（6）、储能电容（7）、峰值电压跟踪电路（8）、滞回电压比较器（9），所述的可拓展压电换能器（1）的负端均相连，且连接至所述的整流电路（4）输入端1，正端均接至与其对应的所述的可拓展峰值检测开关（2）的一端，可拓展峰值检测开关（2）的另一端均与所述的LC谐振电感（3）的一端2相连，1和2之间的单个压电换能器和与其对应的峰值检测开关构成可拓展结构单元，LC谐振电感（3）的另一端连接至整流电路（4）输入端3，整流电路（4）的输出端4、5接至所述的整流电容（5）的两端，且输出端5接地，所述的DC-DC转换芯片（6）输入端IN与整流电路（4）的输出端4相连，使能端EN与所述的滞回电压比较器（9）输出端相连，输出端OUT与所述的储能电容（7）一端相连，储能电容（7）的另一端接地，所述的峰值电压跟踪电路（8）的输入端6与所述的可拓展的压电换能器（1）中的第一压电换能器相连，输出端7与所述的滞回电压比较器（9）的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，其特征在于所述的可拓展压电换能器（1）中压电换能器结构的等效电路模型及参数均相等，振动激励均相同，因此等效电流源的输出电流同步且峰值开路电压均相等，所述的可拓展峰值检测开关（2）中的峰值检测开关结构相同且元件参数均相等，单个压电换能器和与其对应的峰值检测开关组成可拓展结构单元，可拓展结构两两相互并联，独立工作，可拓展压电换能器（1）中的第一压电换能器等效为电流源I_p1与电容C_p1并联，等效电流源I_p1的两端V_pa1、V_pb1分别作为第一压电换能器的正端和负端，可拓展峰值检测开关（2）中的第一峰值检测开关由检测电容C₁、三极管Q₁₁～Q₁₄构成，三极管Q₁₁、Q₁₄为PNP型三极管，三极管Q₁₂、Q₁₃为NPN型三极管，三极管Q₁₁和Q₁₃的基极与等效电流源I_p1的一端V_pa1相连，发射极与所述检测电容C₁的一端相连，集电极分别与所述的三极管Q₁₂和Q₁₄的基极相连，检测电容C₁的另一端与等效电流源I_p1的一端V_pb1相连，三极管Q₁₂和Q₁₄的集电极分别与三极管Q₁₁和Q₁₃的基极相连，发射极与所述的LC谐振电感L（3）的一端2相连，LC谐振电感L（3）的另一端接至整流电路（4）的输入端3。

3.根据权利要求1所述的基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，其特征在于整流电路（4）由二极管D₁～D₄构成，D₁、D₃串联后与D₂、D₄形成的串联支路并联，D₁、D₃之间作为输入端3，D₂、D₄之间作为输入端1，D₁、D₂之间作为输出端4，D₃、D₄之间作为输出端5，整流电路（4）的输入端3与LC谐振电感（3）的一端相连，输入端1与等效电流源I_p1的一端V_pb1相连，其输出端4、5分别与所述的整流电容（5）C_r的两端相连，且输出端4接至所述的DC-DC转换芯片TPS60205（6）的输入端IN，输出端5接地。

4.根据权利要求1所述的基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，其特征在于所述的DC-DC转换芯片TPS60205（6）的输入端IN与整流电路（4）的输出端4相连，其输出端OUT与所述的储能电容（7）C₀的一端相连，其使能端EN接至所述的滞回电压比较器（9）的输出端，储能电容（7）C₀的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，其特征在于所述的峰值电压跟踪电路（8）、滞回电压比较器（9）组成的最大功率点跟踪（MPPT）模块，所述的峰值电压跟踪电路（8）包括运算放大器U_A1、U_A2，电阻R₁、R₂，二极管D₅、D₆以及电容C₃，电阻R₁的一端作为峰值电压跟踪电路（8）的输入端6与所述的可拓展压电换能器（1）中的第一压电换能器正端相连，输入电压为V_pa1，电阻R₁和R₂作为分压电阻串联后对输入电压V_pa1进行分压，电阻R₂的一端接地，电阻R₂两端的电压V_{pa1 dv}作为运算放大器U_A1的同相端输入信号，二极管D₅接至运算放大器U_A1的反相输入端和输出端之间，二极管D₆接至运算放大器U_A1的输出端与运算放大器U_A2的同相输入端之间，电容C₃的一端与运算放大器U_A2的同相输入端相连，另一端与地相连，将电容C₃两端的电压作为运算放大器U_A2的同相端输入信号，运算放大器U_A2的输出端与反相输入端相连构成电压跟随器，并将反馈的信号通过电阻R₃反馈至运算放大器U_A1的反相输入端，运算放大器U_A2的输出端作为峰值电压跟踪电路（8）的输出端7，且与所述的滞回电压比较器（9）的输入端相连，输出电压为V_M。

6.根据权利要求1所述的基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，其特征在于所述的滞回电压比较器（9）包括分压电阻R₄～R₉，运算放大器U_B1、U_B2，SR触发器U₀，增强型PMOS管M以及上拉电阻R_L，分压电阻R₄，R₆串联后对的输入电压V_M进行分压，电阻R₆的一端与所述的峰值电压跟踪电路（8）的输出端7相连，电阻R₄的一端接地，电阻R₄两端的分得的电压值为V_{M dvL}，分压电阻R₅，R₇串联后对的输入电压V_M进行分压，电阻R₅的一端与所述的峰值电压跟踪电路（8）的输出端7相连，电阻R₇的一端接地，电阻R₇两端的分得的电压值为V_{M dvH}，将分压值V_{M dvH}、V_{M dvL}分别作为所述的运算放大器U_B1的反相端输入电压和运算放大器U_B2的同相端输入电压，分压电阻R₈，R₉串联后对所述的整流电容（5）C_r两端的电压V_r进行分压，电阻R₉的一端接至输入电压V_r，电阻R₈的一端接地，电阻R₈两端的分得的电压值为V_{r dv}，将分压值V_{r dv}作为运算放大器U_B1的同相输入端电压及运算放大器U_B2的反相输入端电压，运算放大器U_B1、U_B2构成两个电压比较器，输出高低不同的电平信号，且输出端分别与SR触发器的置位端S和复位端R相连，SR触发器的输出端Q与所述的PMOS管M栅极相连，控制其导通和关断，上拉电阻R_L一端接入所述的整流电容（5）C_r两端的电压V_r，一端与PMOS的源极相连，输出电压信号Vout，且PMOS的源极与所述的DC-DC转换芯片（6）使能端EN相连，漏极接至地。

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