CN112928948B - 一种采用新型控制电路的压电能量收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用新型控制电路的压电能量收集系统，可以精准过零检测并根据工作状态自适应调节控制信号的脉冲宽度，涉及电源管理芯片技术领域，包括压电元件，SSHC模块，控制模块，采样模块，整流模块、负载；所述压电元件包括：等效电流源IP、等效电容CP；所述压电元件两端的电压记为VPT；所述SSHC模块包括：5个同步开关S1、S2、S3、S4、S5，以及一个翻转电容C1；所述控制模块包括：过零检测单元和脉冲信号生成模块；所述采样模块包括电阻R1和电阻R2；本发明采用新型的控制电路，控制信号的脉冲宽度可以根据电路的工作状态动态地调节并精确地过零检测，与传统的方法相比，更加智能化和精确，提高输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理芯片技术领域，具体为一种采用新型控制电路的压电能量收集系统，可以实现精确地过零检测和自适应的控制信号脉冲宽度调节。
背景技术
随着科学技术的不断发展，人们对于电源的要求越来越高。由于传统的化学电池污染严重，体积大，不易集成，人们将目光放到身边环境中的可再生能源中。压电能由于其密度高，行好，输出电压能力强而受到广泛关注。
已提出的压电能量收集系统的控制电路通过电容的充放电来确定控制信号的脉冲宽度并通过与额外的参考电位比较来判断压电元件等效电流源过零时间。但是手动切换不同容值的电容以控制电容充放电时间进而改变控制信号脉宽的方法，不够智能化，而且不够精确，不能根据电路系统的工作状态需要动态地调节。如果脉冲信号的脉冲宽度不够精确，会导致电路的电压翻转率变低，甚至SSHC电路无法正常工作，导致输出功率降低。同时，使用额外的参考电位电路进行过零检测实现麻烦，并且不够精确，进而导致电路系统的压电收集效率较低。
有鉴于此，设计根据电路系统工作状态自适应地改变控制信号脉宽并精确地进行过零检测是非常重要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种采用新型控制电路的压电能量收集系统，解决了背景技术中提到的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种采用新型控制电路的压电能量收集系统，可以精确地过零检测，并根据电路工作的状态动态地调整控制信号的脉冲宽度，包括压电元件，SSHC电路，控制电路，采样模块，整流器、负载；
所述压电元件包括：等效电流源IP、等效电容CP；所述压电元件两端的电压记为VPT；
所述SSHC电路包括：5个同步开关S1、S2、S3、S4、S5，以及一个翻转电容 C1，其中，开关S1和S4串联为一条支路，开关S5和S2串联为一条支路，开关 S3为一条支路，三条支路并联，翻转电容C1一端连接到开关S1和S4中间，另一端点连到开关S5和S2中间；
所述控制电路包括：过零检测电路和脉冲信号生成电路；
所述采样模块包括位于压电元件和SSHC电路间的电阻R1和位于整流器和负载间的电阻R2；
所述整流器由四个二极管组成，将所述SSHC电路处理过的交流电压整流为稳定的直流电压输出给所述的负载供电；
所述负载包括负载电容CL和负载电阻RL；
还包括以下步骤：
步骤1、给压电元件施加正弦变化的压力，在外界的压力作用下压电元件产生正弦电流iP，输入到压电能量系统收集电路，为电路系统供电；
步骤2、当压电元件输出的电压大于负载两端的电压时，输入的交流电流被整流器整流，得到稳定的直流电给负载供电；
步骤3、当压电元件输出的电压小于负载两端的电压，即电流源的输出电流即将过零时，整流器关闭，压电元件无法为负载供电，电阻R2两端的电压差降为零，运算放大器输出信号OP变为低电平，经过反相器反相得到信号OPN的高电平，OPN信号经过D触发器，反相器和与门得到过零检测信号，当iP由正向负过零时生成过零检测信号ZP，当iP由负向正过零时生成过零检测信号ZN；
步骤4、过零检测信号ZP和ZN控制脉冲信号生成电路开始工作，脉冲信号生成电路通过运算放大器放大电阻R1两端的电压差，判断压电元件两端的电压在翻转中还是已完成翻转，根据系统目前的状态生成脉冲控制信号K1，K2，K3的上升沿和下降沿,K1，K2，K3信号分别控制SSHC电路中的开关S1和S2，S3，S4和S5的导通与关断；
步骤5、在脉冲控制信号的控制下，SSHC电路的工作过程为以下3步：1) 当K1信号为高电平时，开关S1和S2闭合，压电元件等效电容CP和翻转电容C1并联，CP两端电压快速下降，C1两端电压上升，最后二者相等；2)当K2信号为高电平时，开关S3闭合，压电元件被短路，两端电压迅速降为0，翻转电容C1被断路，两端电压保持不变；3)当K3信号为高电平时，开关S4和S5闭合，压电元件等效电容CP和翻转电容C1反向连接，两端电压迅速变为步骤1)结束时翻转电容C1两端电压的二分之一，正负相反，压电元件两端的电压完成正负翻转；
步骤6、当压电元件的输出电压再次大于负载电压时，回到步骤2。
如上述的采用新型控制电路的压电能量收集系统，其中，优选的是，所述过零检测电路根据电阻R2两端的电压变化判断何时等效电流源IP的输出电流iP为零，生成表示电流由正向负过零的信号ZP和表示电流由负向正过零的信号ZN，所述脉冲信号生成电路根据电阻R1两端的电压变化判断压电元件两端的电压在翻转中还是已完成翻转，进而生成控制SSHC电路中的开关S1、S2、S3、S4、S5的控制信号K1、K2、K3。
本发明与现有技术相比具备以下有益效果：
1、本发明采用脉冲宽度自适应调节技术，所述SSHC电路中开关的控制信号的脉冲宽度可以根据电路的工作状态动态地调节，与传统人工切换电容容值的方法相比，更加智能化和精确，提高了输出功率地效率。
2、本发明采用了电阻检测电路状态的技术，可以精确地检测压电电流源即将过零的时刻，比传统的相对电压比较法更为精确，提高了电压翻转效率，增加了输出功率。
3、本发明采用了新型SSHC技术，提高了电压翻转效率，减小了电压正负翻转期间的损耗，与传统SSHI电路相比，转换效率更高。
附图说明
图1为本发明采用新型控制电路的压电能量收集电路系统的整体示意图；
图2为本发明过零检测电路的内部结构图；
图3为本发明过零检测电路的时序图；
图4为本发明脉冲信号生成电路的内部结构图；
图5为本发明脉冲信号生成电路的时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种采用新型控制电路的压电能量收集系统，可以精确地过零检测并根据电路工作状态动态地调整控制信号的脉冲宽度，包括压电元件，SSHC电路，控制电路，采样模块，整流器、负载；
压电元件包括：等效电流源IP、等效电容CP；压电元件两端的电压记为VPT；
SSHC电路包括：5个同步开关S1、S2、S3、S4、S5，以及一个翻转电容C1，其中，开关S1和S4串联为一条支路，开关S5和S2串联为一条支路，开关S3为一条支路，三条支路并联，翻转电容C1一端连接到开关S1和S4中间，另一端点连到开关S5和S2中间，SSHC电路如图1所示，该模块有5个同步开关S1，S2，S3， S4，S5和翻转电容C1组成，由控制信号K1控制开关S1和S2的导通和关断，控制信号K2控制开关S3的导通和关断，控制信号K3控制S4和S5的导通和关断，SSHC电路将压电元件两端交流电压VPT的正负翻转过程分三个阶段，当iP由正向负过零时，三个阶段如下：第一阶段，K1信号为高电平，开关S1和S2闭合，压电元件电容CP和翻转电容C1并联，CP两端电压快速下降，C1两端电压上升，最后二者相等；第二阶段，K2信号为高电平，开关S3闭合，压电元件被短路，两端电压迅速降为0，翻转电容被断路，两端电压保持不变；第三阶段，K3信号为高电平，开关S4和S5闭合，压电元件电容和翻转电容反向连接，两端电压迅速变为第一阶段结束时翻转电容C1两端电压的二分之一，正负相反，压电元件两端的电压完成正负翻转，iP由负向正过零时的过程同上，K1，K2，K3的闭合顺序相反；
控制电路包括：过零检测电路和脉冲信号生成电路，过零检测电路根据电阻R2两端的电压变化判断何时等效电流源IP的输出电流iP为零，生成表示电流由正向负过零的信号ZP和表示电流由负向正过零的信号ZN，脉冲信号生成电路根据电阻R1两端的电压变化判断压电元件两端的电压在翻转中还是已完成翻转，进而生成控制SSHC电路中的开关S1、S2、S3、S4、S5的控制信号K1、K2、K3，过零检测模块内部结果图如图2所示，时序图如图3所示，运算放大器并联在电阻R2的两端，采样R2两端电压差的变化情况，当电流源的输出即将过零时，压电元件输出的电压VPT低于负载电容两端的电压VL，电阻R2两端的电压差降为零，运算放大器输出的信号OP由正向负跳变，同时经过反相器得到OPN信号由负向正跳变，D触发器，非门电路和与门电路选择性地复制OPN信号得到分别表示VPT由正向负变化和由负向正变化的过零检测信号ZP和ZN，因为R2很小，所以它带来的损耗要比不正确的过零检测引起的损耗小得多，最后，这种方法可以大大减少电路损耗；
所述采样模块包括位于压电元件和SSHC电路间的电阻R1和位于整流器和负载间的电阻R2；
整流器包括四个二极管，将SSHC电路处理过的交流电压整流为稳定的直流电压输出给的负载供电，脉冲信号生成电路内部结构图如图4所示，时序图如5 所示，该模块由两个运算放大器，六个信号处理模块和三个或门组成，运算放大器放大电阻R1两端的电压差，得到采样信号判断翻转过程是否完成，信号处理模块对采样信号进行处理生成控制信号的上升沿和下降沿，或门将信号处理模块生成的控制信号的上升沿和下降沿合成完整的控制信号，为了便于区分，将iP由正向负变化时的K1，K2，K3信号标记为KP1，KP2，KP3，将iP由负向正变化时的K1，K2，K3信号分别标记为KN3，KN2，KN1，以KP2信号为例来说明脉冲生成电路的工作原理，易知，当控制信号的脉冲宽度恰好等于电压翻转每一步的完成时间时，输出功率最大，并且，每个步骤之间的时间延迟也会造成损失，因此，应在CP和C1之间的电荷转移第一次结束时立即产生KP2的上升沿，KP2的下降沿应在CP电荷清零时立即产生，当CP和C1之间的电荷转移第一次结束时，电阻R1两端的电压从正变为零，并且采样信号OPP变为低电平，OPP经过非门获得 OPPN信号，因此，OPPN的上升沿可以指示翻转的完成，信号处理模块用于选择性复制OPPN的上升沿，因此电荷转移第一次结束时，同时产生KP2信号的上升沿和QP1信号的上升沿，当CP电荷清零时，R1两端的电压再次为零，QP2复制OPPN 的上升沿，并反相以获得KP2信号的下降沿，由此，可以获得完整的脉冲信号KP2，并且其脉冲宽度由系统电路的工作状态确定，将D触发器的CLR引脚连接到ZP 信号，翻转过程结束时，可以将脉冲发生电路复位，当iP从正到负过零时，D 触发器再次开始工作，其他的控制信号的生成过程同理，在此不加以赘述；
负载包括负载电容CL和负载电阻RL；
还包括以下步骤：
步骤1、给压电元件施加正弦变化的压力，在外界的压力作用下压电元件产生正弦电流iP，输入到压电能量系统收集电路，为电路系统供电；
步骤2、当压电元件输出的电压大于负载两端的电压时，输入的交流电流被整流器整流，得到稳定的直流电给负载供电；
步骤3、当压电元件输出的电压小于负载两端的电压，即电流源的输出电流即将过零时，整流器关闭，压电元件无法为负载供电，电阻R2两端的电压差降为零，运算放大器输出信号OP变为低电平，经过反相器反相得到信号OPN的高电平，OPN信号经过D触发器，反相器和与门得到过零检测信号，当iP由正向负过零时生成过零检测信号ZP，当iP由负向正过零时生成过零检测信号ZN；
步骤4、过零检测信号ZP和ZN控制脉冲信号生成电路开始工作，脉冲信号生成电路通过运算放大器放大电阻R1两端的电压差，判断压电元件两端的电压在翻转中还是已完成翻转，根据系统目前的状态生成脉冲控制信号K1，K2，K3的上升沿和下降沿,K1，K2，K3信号分别控制SSHC电路中的开关S1和S2，S3，S4和S5的导通与关断；
步骤5、在脉冲控制信号的控制下，SSHC电路的工作过程为以下3步：1) 当K1信号为高电平时，开关S1和S2闭合，压电元件等效电容CP和翻转电容C1并联，CP两端电压快速下降，C1两端电压上升，最后二者相等；2)当K2信号为高电平时，开关S3闭合，压电元件被短路，两端电压迅速降为0，翻转电容C1被断路，两端电压保持不变；3)当K3信号为高电平时，开关S4和S5闭合，压电元件等效电容CP和翻转电容C1反向连接，两端电压迅速变为步骤1)结束时翻转电容C1两端电压的二分之一，正负相反，压电元件两端的电压完成正负翻转；
步骤6、当压电元件的输出电压再次大于负载电压时，回到步骤2。
本发明使用两个电阻来采样系统电路的工作状态，根据电路工作的状态动态调节SSHC电路的控制信号的脉冲宽度，精确地过零检测，电压翻转效率更高，输出功率更高，其中，使用电阻来采样系统电路的工作状态，动态调节SSHC电路的控制信号的脉冲宽度，与传统手动更换电容调节信号脉冲宽度的方法相比，实现了自动化脉冲宽度调节和自适应，采用电阻过零检测技术，使得过零检测信号在电流源电流即将过零时跳变，从而在电流源电流过零时刻进行电压翻转，提高了电压翻转效率和输出功率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种采用新型控制电路的压电能量收集系统，其特征在于：包括压电元件，SSHC电路，控制电路，采样模块，整流器、负载；
所述压电元件包括：等效电流源IP、等效电容CP；所述压电元件两端的电压记为VPT；
所述SSHC电路包括：5个同步开关S1、S2、S3、S4、S5，以及一个翻转电容C1，其中，开关S1和S4串联为一条支路，开关S5和S2串联为一条支路，开关S3为一条支路，三条支路并联，翻转电容C1一端连接到开关S1和S4中间，另一端点连到开关S5和S2中间；
所述控制电路包括：过零检测电路和脉冲信号生成电路；
所述采样模块包括位于压电元件和SSHC电路间的电阻R1和位于整流器和负载间的电阻R2；
所述整流器由四个二极管组成，将所述SSHC电路处理过的交流电压整流为稳定的直流电压输出给所述的负载供电；
所述负载包括负载电容CL和负载电阻RL；
还包括以下步骤：
步骤1、给压电元件施加正弦变化的压力，在外界的压力作用下压电元件产生正弦电流iP，输入到压电能量系统收集电路，为电路系统供电；
步骤2、当压电元件输出的电压大于负载两端的电压时，输入的交流电流被整流器整流，得到稳定的直流电给负载供电；
步骤3、当压电元件输出的电压小于负载两端的电压，即电流源的输出电流即将过零时，整流器关闭，压电元件无法为负载供电，电阻R2两端的电压差降为零，运算放大器输出信号OP变为低电平，经过反相器反相得到信号OPN的高电平，OPN信号经过D触发器，反相器和与门得到过零检测信号，当iP由正向负过零时生成过零检测信号ZP，当iP由负向正过零时生成过零检测信号ZN；
步骤4、过零检测信号ZP和ZN控制脉冲信号生成电路开始工作，脉冲信号生成电路通过运算放大器放大电阻R1两端的电压差，判断压电元件两端的电压在翻转中还是已完成翻转，根据系统目前的状态生成脉冲控制信号K1，K2，K3的上升沿和下降沿,K1，K2，K3信号分别控制SSHC电路中的开关S1和S2，S3，S4和S5的导通与关断；
步骤5、在脉冲控制信号的控制下，SSHC电路的工作过程为以下3步：1)当K1信号为高电平时，开关S1和S2闭合，压电元件等效电容CP和翻转电容C1并联，CP两端电压快速下降，C1两端电压上升，最后二者相等；2)当K2信号为高电平时，开关S3闭合，压电元件被短路，两端电压迅速降为0，翻转电容C1被断路，两端电压保持不变；3)当K3信号为高电平时，开关S4和S5闭合，压电元件等效电容CP和翻转电容C1反向连接，两端电压迅速变为步骤1)结束时翻转电容C1两端电压的二分之一，正负相反，压电元件两端的电压完成正负翻转；
步骤6、当压电元件的输出电压再次大于负载电压时，回到步骤2。
2.根据权利要求1所述的采用新型控制电路的压电能量收集系统，其特征在于：所述过零检测电路根据电阻R2两端的电压变化判断何时等效电流源IP的输出电流iP为零，生成表示电流由正向负过零的信号ZP和表示电流由负向正过零的信号ZN，所述脉冲信号生成电路根据电阻R1两端的电压变化判断压电元件两端的电压在翻转中还是已完成翻转，进而生成控制SSHC电路中的开关S1、S2、S3、S4、S5的控制信号K1、K2、K3。
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- 2021-01-29 CN CN202110123676.XA patent/CN112928948B/zh active Active
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| CN112928948A (zh) | 2021-06-08 |
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