CN113556045B - 一种无二次翻转的自供能压电能量收集接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无二次翻转的同步开关电感能量收集接口电路，包括压电元件等效电学模型、同步开关电感模块、整流桥模块以及滤波稳压单元。该电路利用由三极管、电容为主体组成的峰值检测开关电路使得压电元件与电感形成高频电容‑电感振荡回路，电压翻转时刻与其运动位移的极值时刻实时同步，以此提升压电换能器输出电压；利用二极管的单向导电性，消除现有的自供能同步开关电感电路中存在的“二次翻转”现象，可以有效地避免“二次翻转”过程对能量收集所造成的不利影响；本发明又将压电元件正负方向的峰值检测电容复用，减少了该类型电子元件的数目。

Description

一种无二次翻转的自供能压电能量收集接口电路

技术领域

本发明涉及能量转换技术领域，更具体地说，涉及一种消除二次翻转现象的自供能式压电能量收集接口电路。

背景技术

目前，无线传感技术的发展日益成熟，其中一些传感器已经逐渐应用于生产、生活等各个领域。以电池为代表的传统供能方式因容量有限，达到使用寿命时需要进行拆卸、更换，且容易对环境产生污染等缺点，逐渐不再满足无线传感节点的供能要求。因此，从环境中汲取能量，将其转化为可以利用的电能为无线传感的供能已成为研究热点。其中，压电式能量收集技术因其能量密度大，不受天气、环境影响等优点，被认为是最有前景为无线节点供电的方式之一。

但是，由于压电换能器的输出电流为交流电，且内部阻抗非常大，难以阻抗匹配，因此转化的电量难以提取，必须连接接口电路提升其能量转化效率。在能量收集接口电路研究领域中，经典标准整流桥电路可以将压电换能器输出的交流电整流为较为平稳的直流电，但是当整流桥断开时会存在电荷中和现象，因此，该电路的输出水平较低；而同步开关电感电路可以有效地利用压电换能器内部电容与电感形成电容-电感高频振荡电路，在压电换能器的输出电流经过零点或者电压达到极值时(压电元件的形变位移达到极值时)闭合开关1/2个谐振周期，将压电元件的输出电压进行翻转，从而避免了标准整流桥中电荷中和浪费的现象。在该电路中，开关控制主要依赖于外部传感器与微控制器，为了省去这些复杂的设备，在电路中可以采用峰值检测开关电路代替开关实现电压峰值检测，并完成电源翻转动作，即自供能。在同步开关电感电路的自供能研究中，一般采用两个峰值检测开关电路实现正负方向的电压峰值检测，但是，当其中一个方向的电压翻转过程结束后，电压具有反向翻转的趋势，此时，由于此回路中二极管的反向截止作用，此回路无法导通；但是在另一侧的峰值检测开关电路中，由于三极管极间存在一个很小的寄生电容，此时压电元件可以由此与电感形成一个时间极短的电容-电感谐振回路，即“二次翻转”现象；该现象的存在，不仅使得翻转后的电压变小、而且增加了电压到达整流电压的时间，即减少了能量提取时间，由此可造成能量耗散，这种情况在压电元件内部电容极小时，更加突出。因此，在对自供能同步开关电感电路的研究中，需要设计一种可以消除“二次翻转”的自供能电路，对于提升能量输出功率、提升能量转化效率具有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有自供能同步开关电感电路技术的不足之处，提供一种无二次翻转的自供电同步开关电感能量收集接口电路，旨在消除由二次翻转所造成的能量损失。本发明可将压电换能器产生的交流电通过该电路转化为稳定的直流电，然后供给储能单元进行能量存储或者直接向负载供电，解决传统供能方式需要频繁更换的问题，实现长久的自供电。

本发明的技术方案如下：

一种无二次翻转的自供电同步开关电感能量收集接口电路，其特征在于：该电路包括压电换能器的等效电学模块、同步开关电感模块、全桥整流桥模块以及滤波稳压单元；所述的压电换能器等效电学模块由等效交流电流源、电容和电阻并联组成；所述的同步开关电感模块包括一个峰值检测电容、四只二极管、两个NPN以及两个PNP三极管以及两个电感；所述的峰值检测电容C₁的电容值远小于压电元件内部电容C_p；所述的两只NPN型三极管的发射极分别与电容的两极相连，基极与压电元件的等效电学模型相连构成电压峰值检测电路，可以检测压电元件的电压峰值；所述的二极管D₁、D₂分别并联在两只NPN三极管的基极与发射级，其中二极管的阴极与三极管的基极相连，阳极与发射极相连，可以实现对电容C₁的充放电，并保障电路的单向导电性；所述的PNP三极管Q₃的基极与Q₁的集电极相连，三极管Q₄的基极与Q₂的集电极相连，两个PNP三极管的发射极相连于电路的接地点，集电极分别对应着连接于压电元件等效电学模型的正负极，构成正(Q₄)负(Q₃)电子开关，其中驱动开关信号由两只PNP三极管的集电极提供；所述的电感L₁与L₂分别为正负方向的同步电感，两个电感对称连接于接地点的两侧；所述的二极管D₃与D₄分别串联于压电元件的输入端与电感的另一端，其中两只二极管的阴极与电感相连，保障电路的单向导电性，避免电容-电感高频谐振回路反向翻转；所述的全桥整流桥电路由四只二极管D₅～D₈组成，进一步地，可采用肖特基二极管减少二极管的导通压降，整流桥的输入端与压电元件的等效电学模型输入端相连，可以将压电元件输出的交流电整流为直流电；所述的滤波稳压单元由一个电容值较大的电容组成，该电容的两极分别与整流桥的两端相连，负载电阻也并联于该电容的两端，当该电容的充电过程与放电过程达到动态平衡式，可实现将整流桥输出的直流电进行滤波稳压处理，输出较为平稳的电压。

本发明提出的一种无二次翻转的自供能同步开关电感能量收集接口电路，其优点在于：

(1)本发明所提出的电路无需外部传感设备及微控制器即可在正确的时间实现电压翻转，即自供能。

(2)本发明将同步开关电感模块的正负峰值检测电容复用，减少该类电子元件的数目。

(3)本发明提出的电路无需外部启动电源即可正常工作，即冷启动。

(4)本发明所提出的电路可以有效的消除“二次翻转”现象，具有输出电压高，能量转化效率高等特点。

附图说明

图1是本发明提出的无二次翻转的自供能式同步开关电感能量收集电路原理图；

图2为本发明提出的无二次翻转的自供能式同步开关电感能量收集电路半个周期内工作理论波形图；

图3为该电路在能量提取状态下电流的放大波形图；

图4为该电路在电压翻转阶段的电压与电流放大波形图。

具体实施方式

为了使本发明提出的电路及要解决的技术问题和有益效果更加清晰，以下结合附图及具体实施，对本申请进行进一步详细说明。

图1所示为本发明提出的无二次翻转的自供能式同步开关电感能量收集电路。如图2所示，根据电路的工作模式，以半个能量收集周期为例，将该电路的整个工作过程划分为四步。

下面对该电路的四个工作过程进行详细的描述：

1.自然充电过程：在t₀-t₁阶段，翻转后的压电元件电压V_p尚未达到整流电压V_rect，此时，随着压电元件正向运动，等效电流源i_p开始为电路正向充电。但是，整流桥尚未导通，等效电流源i_p与压电元件内部电容C_p、峰值检测电容C₁形成充电回路，两个电容的电压不断增长。电流传输路径为i_p+→C_p∥R_P→i_p-，i_p+→Q₁→C₁→D₂→i_p-。

2.能量提取过程：当压电元件两端电压达到整流电压V_rect时，等效电流源i_p仍处于正向充电状态，即图2中t₁时刻，整流桥导通，此时，有电流通过滤波电容C_rect及负载R_L，开始能量提取。电容C_p与C₁两端电压由于整流桥与滤波电容钳位作用保持不变直至整流桥截止。能量提取阶段对应图2的t₁-t₂阶段，电流波形放大图如图3所示。此时，电流传输路径为i_p ⁺→D₅→C_rect∥R_L→D₇→i_p ^-。

3.额外开路过程：到了图2中的t₂时刻，压电元件运动到正极值处，并开始反向运动，等效电流源i_p恰好经过零点，并开始反向充电，压电元件两端电压下降并小于V_rect，因此整流桥截止，能量提取阶段结束。此时压电元件处于开路状态，其两端电压继续下降，此时电流路径为i_p ^-→C_p∥R_P→i_p ⁺，而电容C₁由于二极管D₂反向截止且NPN型三极管Q₂未导通，其电压一直保持不变。

4.电压翻转阶段：当到达图2中的t₃时刻时，压电元件电容C_p电压比峰值检测电容C₁的电压小三极管基射极导通阈值电压V_be时，NPN三极管Q₂的基射极PN结处于正向偏置导通，此时PNP三极管Q₄基射极PN结也处于正向偏置状态，此时压电元件电容C_p与电感L₁形成LC振荡电路，对应图2中t₃-t₄阶段，其放大波形图如图4所示，等效电流源i_p仍处于反向状态，因此翻转的电压幅值继续增大直至下个工作阶段。此时能量传递路径为C_p→D₃→L₁→Q₄→C_p；峰值检测电容也开始放电，其能量传递路径为C₁→D₁→D₃→L₁→Q₄→Q₂→C₁。经过1/2个振荡周期后，压电元件电压由V_M翻转至-V_m，此时开始负半周的工作过程，原理与正半周相似。

现有的自供能式同步开关电感电路中，为了实现正负方向的电压峰值检测，分别在压电元件正负电压峰值检测电路中各采用一个电容；优选地，本发明所提出的电路将正负电压峰值检测电容复用，减少该类型电子元件的数目。在现有的自供能式同步开关电感电路中，当一个方向的电压翻转阶段结束后，由于三极管极间寄生电容的作用，压电元件与电感会立即形成一个反方向的振荡回路，即“二次翻转”的过程，该现象的存在，会增加能量耗散，减少能量提取时间；优选地，本发明所提出的电路利用二极管的单向导电性限制电流的反向传递，因此，当电压翻转结束之后，电路中所有的电感回路都处于断路状态，因此，翻转后的电压不再降低，减少了到达整流电压所利用的时间，即增加了能量提取的时间，因此，能量转化效率更高。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本申请。

Claims (4)

1.一种无二次翻转的自供能压电能量收集接口电路，其特征在于：该电路包括压电元件等效电学模型、同步开关电感模块、全桥整流桥模块以及滤波稳压单元；所述的同步开关电感模块包括一个峰值检测电容C₁、四只二极管D₁~D₄、两个NPN三极管Q₁、Q₂以及两个PNP三极管Q₃、Q₄以及两个电感L₁、L₂；所述的峰值检测电容C₁的电容值远小于压电元件内部电容C_p；所述的两只NPN三极管Q₁、Q₂的发射极分别与峰值检测电容C₁的两极相连，NPN三极管Q₁、Q₂的基极与所述等效电学模型相连构成电压峰值检测电路，可以检测压电元件的电压峰值；所述的二极管D₁、D₂分别并联在两只NPN三极管Q₁、Q₂的基极与发射极，其中二极管D₁、D₂的阴极分别与NPN三极管Q₁、Q₂的基极相连，二极管D₁、D₂的阳极分别与NPN三极管Q₁、Q₂发射极相连，可以实现对峰值检测电容C₁的充放电，并保障电路的单向导电性；所述的电感L₁与L₂分别为正负方向的同步电感，两个电感L₁与L₂对称连接于接地点的两侧；所述的二极管D₃与D₄分别串联于压电元件的输入端与电感的另一端，其中两只二极管的阴极与电感相连，保障电路的单向导电性，避免电容-电感高频谐振回路反向翻转，所述自供能压电能量收集接口电路的工作模式包括：自然充电、能量提取、额外开路及电压翻转，其中，所述电压翻转阶段的能量传递路径包括压电元件内部电容C_p的能量传递路径和峰值检测电容C₁的能量传递路径，压电元件内部电容C_p的能量传递路径为：C_p→D₃→L₁→Q₄→C_p，峰值检测电容C₁的能量传递路径为C₁→D₁→D₃→L₁→Q₄→Q₂→C₁，所述电压翻转阶段结束后，电路中所有电感回路都处于断路状态。

2.根据权利要求1所述的一种无二次翻转的自供能压电能量收集接口电路，其特征在于：PNP三极管Q₃的基极与Q₁的集电极相连，PNP三极管Q₄的基极与Q₂的集电极相连，两个PNP三极管Q₃、Q₄的发射极相连于电路的接地点，集电极分别对应着连接于压电元件的等效电学模型的正负极，构成正负电子开关，其中驱动开关信号由两只PNP三极管Q₃、Q₄的集电极提供。

3.根据权利要求1所述的一种无二次翻转的自供能压电能量收集接口电路，其特征在于：所述的全桥整流桥模块由四只二极管D₅~D₈组成，所述二极管D₅~D₈采用肖特基二极管减少二极管的导通压降，全桥整流桥模块的输入端与压电元件的等效电学模型输入端相连，可以将压电元件输出的交流电整流为直流电。

4.根据权利要求1所述的一种无二次翻转的自供能压电能量收集接口电路，其特征在于：所述的滤波稳压单元由一个电容值较大的电容组成，该电容的两极分别与全桥整流桥模块的两端相连，负载电阻也并联于该电容的两端，当该电容的充电过程与放电过程达到动态平衡式，可实现将全桥整流桥模块输出的直流电进行滤波稳压处理，输出较为平稳的电压。

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