CN203933163U - 一种自供电的压电振动能量同步提取电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自供电的压电振动能量同步提取电路，包括压电元件、正负半周检测互锁控制电路、正负极值检测电路、四个开关、电感、二极管、储能电容、负载。其中正负半周检测互锁控制电路控制两个开关分别在负半周和正半周导通，正负极值检测电路分别控制另外两个开关在正负极值到达后导通，使电感与压电元件内部电容产生LC谐振，将压电能量同步提取到电感，并通过二极管续流将能量转移到储能电容上。整体电路采用自供电设计，自动检测压电元件的状态并控制四个开关的通断来提取能量，与现有的压电能量提取电路相比，减小了电路体积，降低了自身功耗，提高了提取效率，且提取功率与负载大小无关，较宽的振动频带范围内均可使用。

Description

一种自供电的压电振动能量同步提取电路

技术领域

本实用新型涉及振动能量收集领域，尤其涉及一种自供电的压电振动能量同步提取电路。

背景技术

随着集成电路技术、精密加工技术、计算机技术、无线网络通讯技术的不断发展，以无线传感器网络(WSNs)为主要应用形式的各种微型电子设备、微机电系统（MEMS）不断涌现。随着 WSNs在医疗保健（穿戴式、嵌入式或植入式的医疗监测仪器等）、环境监测系统（森林火灾、洪水监测、气候变化、海洋监测等）、家用安全系统等各个领域的深入发展，对作为节点的各种微型电子设备的性能提出了更高的要求，其中备受关注的是节点寿命问题。在某些应用中，如用于环境灾害监测而设置在气候恶劣地区或森林海洋等难进入区域的传感节点、医疗保健用途的植入式无线传感节点等，一旦电源耗尽或受到损坏，不仅节点信息采集中断，还会影响整个网络信息处理的准确性。

压电式振动能量采集器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。目前，低功耗的电子器件与无线电射频技术的广泛应用为压电式振动能量的利用提供了更大的发展平台。

由于振动使压电元件输出的电压是交变的，而常见的微型电子设备及无线传感网络节点的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，目前有几种常见接口电路，其中最经典的是简单的二极管全桥整流和一个滤波电容的整流滤波电路，但是，由于压电元件的内部等效电路中电容Cp的存在，压电元件首先要对Cp充电，当Cp的电压超过整流桥后端的滤波电容的电压再加上两个二极管的压降后，才能对后端的电容充电，导致这种电路不仅回收效率低，而且回收的功率受后端电容电压和负载的大小影响。因此，研究人员提出了多种非线性能量提取电路，主要包括并联Lefeuvre 和Guyomar 等提出的同步开关电感电路（P-SSHI）、Taylor 等提出的串联同步开关电感电路（S-SSHI）、Lefeuvre 等提出的同步电荷提取电路（SECE），及在这三种电路基础上派生出来的Lallart 等提出的双同步开关电路（DSSH）、南京航空航天大学裘进浩等提出的优化型同步电荷提取电路（OSECE）和增强型双同步开关电感回收电路（ESSH）等。

P-SSHI电路当结构振动到极值时，快速闭合与压电元件电容Cp并联的电感，同步开关电感的主要作用是通过LC谐振使压电元件电压快速翻转，能有效增大压电片的开路电压，在一个周期内增加能量传输的时间。而在S-SSHI电路中，同步开关电感的主要作用通过两个电容和一个电感的LC谐振提取压电元件电荷。然而这两种电路回收功率仍然受后端电容电压及负载阻抗的大小影响较大。

SECE、OSECE、DSSH、ESSH 电路解决了这一问题，其回收功率与后端电容及负载大小无关。然而，这些电路在理论上非常具有优势，实际实现起来却过于复杂。主要是由于同步电荷提取SECE 技术中涉及到电子开关的闭合时间控制，该电路的开关要求在LC谐振的1/4周期内完成开关的导通和断开，而且要求非常精确，在实际能量回收装置中，比较难实现。OSECE 电路在SECE电路的基础上，优化了其开关控制策略，使得电路中模拟开关的控制变得简单易行，并且给出了低功耗的自供电方案，但是OSECE采集电路中需要一个三个线圈的耦合反激式变压器，导致整体电路体积庞大，而且对反激式变压器的品质因数有较高要求。DSSH 电路在很大程度上提高了电路回收功率，但是该电路采用了两个电感和两套开关电路及检测电路，增加了电路的体积，而且该电路复杂的开关控制系统使得其只在外界提供电源的DSP控制系统中才能实现。ESSH 电路的提出解决了DSSH 电路实现自供电这一关键技术难题，使得该能量回收电路向实际应用迈出了关键一步。然而ESSH 电路复杂的供电系统和能源管理系统使得该电路最终输出电压只能保持在一个较低的范围之内。

发明内容

本实用新型之目的：提出一种自供电的压电振动能量同步提取电路，该电路采用正负半周自动检测互锁技术和正负极值检测控制技术实现压电能量电荷的高效提取。

为了实现本实用新型之目的，拟采用以下技术：

一种自供电的压电振动能量同步提取电路，包括压电元件(PZT)、正负半周检测互锁控制电路、正极值检测电路、负极值检测电路、电感（L）、第一二极管(D1)、储能电容(Cr)、负载电阻(RL)，第一、第二、第三、第四开关（S1、S2、S3、S4），压电元件(PZT)的1脚与正负半周自动检测互锁控制电路的a端、正极值触发检测电路正端、负极值触发检测电路的负端相连，压电元件(PZT)的2脚与正负半周自动检测互锁控制电路的b端、正极值触发检测电路负端、负极值触发检测电路的正端相连，压电元件(PZT)的1脚与正负半周自动检测互锁控制的第一开关（S1）、正极值触发检测电路控制的第三开关（S3）的一端相连，压电元件(PZT)的2脚与正负半周自动检测互锁控制的第二开关（S2）、负极值触发检测电路控制的第四开关（S4）的一端相连。第一开关（S1）和第二开关（S2）的另一端互联后与电感（L）的2脚相连，第三开关（S3）和第四开关（S4）的另一端互联后与电感(L)的1脚相连，电感(L)的2脚与第一二极管（D1）的正端相连，电感(L)的1脚与电路系统输出地（GND)相连，第一二极管（D1）的负端与储能电容（Cr）正端相连，储能电容（Cr）正端与系统负载(RL)相连并输出直流电压（Vdc)，储能电容（Cr）与负载(RL)的负端均与电路输出地（GND）相连。

互锁的两个NMOS场效应管第一场效应管（Q1）与第二场效应管（Q2）构成正负半周检测互锁控制电路及第一开关（S1）、第二开关（S2）电路，第一场效应管（Q1）和第二场效应管（Q2）的源极相连并与电感的2脚相连，第一场效应管（Q1）的栅极和第二场效应管（Q2）的漏极相连，第二场效应管（Q2）的栅极和第一场效应管（Q1）的漏极相连。

正极值检测电路由第二二极管（D2）、第一电容(C1)、PNP型第五三极管（Q5）构成，压电元件的1脚连接第二二极管（D2）的正端，第二二极管（D2）的负端连接第一电容(C1)的正端，第一电容(C1)的负端连接压电元件（PZT）的2脚，第二二极管（D2）的负端连接PNP型第五三极管（Q5）的发射极，第二二极管（D2）的正端连接PNP型第五三极管(Q5)的基极，PNP型第五三极管（Q5）的集电极输出控制第三开关(S3)，NPN型第三三极管（Q3）构成第三开关（S3），第三三极管（Q3）的基极连接第五三极管（Q5）的集电极，第三三极管（Q3）的集电极连接压电元件（PZT）的1脚，第三三极管（Q3）的发射极连接电感（L）的1脚；负极值检测电路由第三二极管（D3）、第二电容(C2)、PNP型第六三极管（Q6）构成，压电元件的2脚连接第三二极管（D3）的正端，第三二极管（D3）的负端连接第二电容(C2)的正端，第二电容(C2)的负端连接压电元件（PZT）的1脚，第三二极管（D3）的负端连接PNP型第六三极管（Q6）的发射极，第三二极管（D3）的正端连接PNP型第六三极管(Q6)的基极，PNP型第六三极管（Q6）的集电极输出控制第四开关(S4)，NPN型第四三极管（Q4）构成第四开关（S4），第四三极管（Q4）的基极连接第六三极管（Q6）的集电极，第四三极管（Q4）的集电极连接压电元件（PZT）的2脚，第四三极管（Q4）的发射极连接电感（L）的1脚。

有益效果

本实用新型公开了一种自供电的压电振动能量同步提取电路，包括压电元件、正负半周检测互锁控制电路、正负极值检测电路、四个开关、电感、二极管、储能电容、负载电阻。其中正负半周检测互锁控制电路控制两个开关分别在负半周和正半周导通，正负极值检测电路分别控制另外两个开关在正负极值到达后导通，使电感与压电元件内部电容产生LC谐振，将压电能量同步提取到电感，并通过二极管续流将能量转移到储能电容上。整体电路采用自供电设计，自动检测压电元件的状态并控制四个开关的通断来提取能量，与现有的压电能量提取电路相比，减小了电路体积，降低了自身功耗，提高了提取效率，且提取功率与负载大小无关，较宽的振动频带范围内均可使用。

有益效果的主要体现方面：

1.所述正负半周检测互锁控制电路，该结构保证了压电元件两端的压差小于阈值电压的时候，两个互锁的场效应管都是断开的，在两个正负阈值电压范围内防止了两个开关频繁开关的抖动而消耗能量。而且采用场效应管来实现开关切换能有效的降低导通压降和导通电阻。有效的节约了本身电路的功耗，增加了提取效率。

2.所述正负极值检测电路中，由于三极管的基极电流要远小于集电极的电流，所以极值检测的电容放电速度要比压电元件内部电容慢，从而保证了提取电路中开关管的持续导通到，本电路的设计结构保证了极值检测电路电容所积累的电荷能量也从相同回路被提取到电感中，从而减少了电路自身功耗，提高了能量的转换效率。

3.本实用新型电路结构中取消了传统SECE结构中的整流桥结构，采用四个开关管两两配合优化控制精确度。检测电路全部采用无源的结构设计，降低了电路的系统功耗。通过结构优化，本实用新型无需采用OSECE采集电路中所需要一个三个线圈的耦合反激式变压器，大大的降低了系统的体积，简化了电路。

4.本实用新型电路结构在电感的电流达到最大值的时候断开与前端压电元件的连接，通过后端的二极管续流，由于电感会产生感应电动势，无论后端的储能电容的电压是多少都可以启动对储能电容充电，所以该电路的提取输出功率和储能电容的电压及后端的负载电阻的大小无关。

5.由于可以设置谐振的频率比外届振动的频率高几个数量级，所以本电路结构可以在较宽的振动频带范围内均可使用。

附图说明

图1为本实用新型的自供电的压电振动能量同步提取方法原理图；

图2为本实用新型自供电的压电振动能量同步提取的具体电路图。

具体实施方式

一种自供电的压电振动能量同步提取电路，如图1所示，包括压电元件PZT、正负半周检测互锁控制电路、正极值检测电路、负极值检测电路、电感L、第一二极管D1、储能电容Cr、负载电阻RL，第一、第二、第三、第四开关（S1、S2、S3、S4），压电元件PZT的1脚与正负半周自动检测互锁控制电路的a端、正极值触发检测电路的正端、负极值触发检测电路的负端相连，压电元件PZT的2脚与正负半周自动检测互锁控制电路的b端、正极值触发检测电路的负端、负极值触发检测电路的正端相连，压电元件PZT的1脚与正负半周自动检测互锁控制的第一开关S1、正极值触发检测电路控制的第三开关S3相连，压电元件PZT的2脚与正负半周自动检测互锁控制的第二开关S2、负极值触发检测电路控制的第四开关S4相连。第一开关S1和第二开关S2的另一端互联后与电感L的2脚相连，第三开关S3和第四开关S4的另一端互联后与电感L的1脚相连，电感L的2脚与第一二极管D1的正端相连，电感L的1脚与电路系统输出地GND相连，第一二极管D1的负端与储能电容Cr正端相连，储能电容Cr正端与系统负载RL相连并输出直流电压Vdc，储能电容Cr与负载RL的负端均与电路输出地GND相连。

在压电元件PZT的1脚电压大于2脚电压的正半周期，第二开关S2导通，第三开关S3在压电元件PZT的正极值到来后导通，电感L与压电元件内部电容Cp产生LC谐振，振荡1/4个LC周期后，压电元件内部电容Cp电压下降到零，电感L上的电流增加到最大值，第二开关S2和第三开关S3断开，电感L通过二极管续流将能量转移到储能电容上。完成正半周期能量同步提取。

在压电元件PZT的1脚电压大于2脚电压的负半周期，第一开关S1导通，第三开关S4在压电元件PZT的正极值到来后导通，电感L与压电元件内部电容Cp产生LC谐振，振荡1/4个LC周期后，压电元件内部电容Cp电压下降到零，电感L上的电流增加到最大值，第一开关S1和第四开关S4断开，电感L通过二极管续流将能量转移到储能电容上。完成负半周期能量同步提取。

如图2所示，互锁的两个NMOS场效应管第一场效应管Q1与第二场效应管Q2构成正负半周检测互锁控制电路及第一开关S1、第二开关S2电路，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的源极相连并与电感的2脚相连，第一场效应管Q1的栅极和第二场效应管Q2的漏极相连，第二场效应管Q2的栅极和第一场效应管Q1的漏极相连。

在压电元件PZT的1脚电压大于2脚电压且超过场效应管的一个阈值电压的正半周期，第二场效应管Q2导通第一场效应管Q1截止，在压电元件的2脚电压大于1脚电压且超过场效应管的一个阈值电压的负半周期，第一场效应管Q1导通第二场效应管Q2截止，实现正负半周检测互锁控制开关切换，在正半周电感L的2脚通过第二场效应管Q2与压电元件PZT的2脚连通，在负半周电感L的2脚通过第二场效应管Q2与压电元件PZT的1脚连通。

正负半周检测互锁控制电路中，本实用新型结构保证了压电元件两端的压差小于阈值电压的时候，两个互锁的场效应管都是断开的，在两个正负阈值电压范围内防止了两个开关频繁开关的抖动而消耗能量。而且采用场效应管实现开关切换能有效的降低导通压降和导通电阻。有效的节约了本身电路的功耗，增加了提取效率。

正负极值检测电路分别控制另外两个开关在正负极值到达后导通，使电感L与压电元件内部电容Cp产生LC谐振，将压电能量同步提取到电感L，并通过二极管续流将能量转移到储能电容上。

如图2所示，正极值检测电路由第二二极管D2、第一电容C1、PNP型第五三极管Q5构成，压电元件的1脚连接第二二极管D2的正端，第二二极管D2的负端连接第一电容C1的正端，第一电容C1的负端连接压电元件PZT的2脚，第二二极管D2的负端连接PNP型第五三极管（Q5）的发射极，第二二极管D2的正端连接PNP型第五三极管Q5的基极，PNP型第五三极管Q5的集电极输出控制第三开关S3，NPN型第三三极管Q3构成第三开关S3，第三三极管Q3的基极连接第五三极管Q5的集电极，第三三极管Q3的集电极连接压电元件PZT的1脚，第三三极管Q3的发射极连接电感L的1脚。

正极值检测电路在压电元件PZT电压的达到正向最大电压点后，第一电容C1电压不变，而压电元件1脚电压下降，下降到PNP型第五三极管Q5阈值电压后第五三极管Q5导通，传输第一电容C1的高电平控制第三三极管Q3导通，使电感L与压电元件内部电容Cp产生LC谐振，将压电能量同步提取到电感L，并通过第三三极管和第五三极管将第一电容C1的电能也提取到电感L。并通过第一二极管D1续流将能量转移到储能电容Cr上。

负极值检测电路由第三二极管D3、第二电容C2、PNP型第六三极管Q6构成，压电元件的2脚连接第三二极管D3的正端，第三二极管D3的负端连接第二电容C2的正端，第二电容C2的负端连接压电元件PZT的1脚，第三二极管D3的负端连接PNP型第六三极管Q6的发射极，第三二极管D3的正端连接PNP型第六三极管Q6的基极，PNP型第六三极管Q6的集电极输出控制第四开关S4，NPN型第四三极管Q4构成第四开关S4，第四三极管Q4的基极连接第六三极管Q6的集电极，第四三极管Q4的集电极连接压电元件PZT的2脚，第四三极管Q4的发射极连接电感L的1脚。

负极值检测电路在压电元件PZT电压的达到反向最大电压点后，第二电容C2电压不变，而压电元件2脚电压下降，下降到PNP型第六三极管Q6阈值电压后第六三极管Q6导通，传输第二电容C2的高电平控制第四三极管Q4导通，使电感L与压电元件内部电容Cp产生LC谐振，将压电能量同步提取到电感L，并通过第四三极管Q4和第六三极管Q6将第二电容C2的电能也提取到电感L。并通过第一二极管D1续流将能量转移到储能电容Cr上。

正负极值检测电路中，由于三极管的基极电流要远小于集电极的电流，所以极值检测的电容(C1、C2)放电速度要比压电元件内部电容慢，由于从而保证了提取电路中开关管的持续导通到，本电路的结构保证了极值检测电电容所积累的电荷能量也从相同回路被提取到电感中，从而减少了电路自身功耗，提高了能量的转换效率。

Claims (3)

1.一种自供电的压电振动能量同步提取电路，包括压电元件(PZT)、正负半周检测互锁控制电路、正极值检测电路、负极值检测电路、电感（L）、第一二极管(D1)、储能电容(Cr)、负载电阻(RL)，第一、第二、第三、第四开关（S1、S2、S3、S4），其特征在于：压电元件(PZT)的1脚与正负半周自动检测互锁控制电路的a端、正极值触发检测电路正端、负极值触发检测电路的负端相连，压电元件(PZT)的2脚与正负半周自动检测互锁控制电路的b端、正极值触发检测电路负端、负极值触发检测电路的正端相连，压电元件(PZT)的1脚与正负半周自动检测互锁控制的第一开关（S1）、正极值触发检测电路控制的第三开关（S3）的一端相连，压电元件(PZT)的2脚与正负半周自动检测互锁控制的第二开关（S2）、负极值触发检测电路控制的第四开关（S4）的一端相连，第一开关（S1）和第二开关（S2）的另一端互联后与电感（L）的2脚相连，第三开关（S3）和第四开关（S4）的另一端互联后与电感(L)的1脚相连，电感(L)的2脚与第一二极管（D1）的正端相连，电感(L)的1脚与电路系统输出地（GND)相连，第一二极管（D1）的负端与储能电容（Cr）正端相连，储能电容（Cr）正端与系统负载(RL)相连并输出直流电压（Vdc)，储能电容（Cr）与负载(RL)的负端均与电路输出地（GND）相连。

2.根据权利要求1所述的一种自供电的压电振动能量同步提取电路，其特征在于：互锁的两个NMOS场效应管第一场效应管（Q1）与第二场效应管（Q2）构成正负半周检测互锁控制电路及第一开关（S1）、第二开关（S2）电路，第一场效应管（Q1）和第二场效应管（Q2）的源极相连并与电感的2脚相连，第一场效应管（Q1）的栅极和第二场效应管（Q2）的漏极相连，第二场效应管（Q2）的栅极和第一场效应管（Q1）的漏极相连。

3.根据权利要求1所述的一种自供电的压电振动能量同步提取电路，其特征在于：正极值检测电路由第二二极管（D2）、第一电容(C1)、PNP型第五三极管（Q5）构成，压电元件的1脚连接第二二极管（D2）的正端，第二二极管（D2）的负端连接第一电容(C1)的正端，第一电容(C1)的负端连接压电元件（PZT）的2脚，第二二极管（D2）的负端连接PNP型第五三极管（Q5）的发射极，第二二极管（D2）的正端连接PNP型第五三极管(Q5)的基极，PNP型第五三极管（Q5）的集电极输出控制第三开关(S3)，NPN型第三三极管（Q3）构成第三开关（S3），第三三极管（Q3）的基极连接第五三极管（Q5）的集电极，第三三极管（Q3）的集电极连接压电元件（PZT）的1脚，第三三极管（Q3）的发射极连接电感（L）的1脚；负极值检测电路由第三二极管（D3）、第二电容(C2)、PNP型第六三极管（Q6）构成，压电元件的2脚连接第三二极管（D3）的正端，第三二极管（D3）的负端连接第二电容(C2)的正端，第二电容(C2)的负端连接压电元件（PZT）的1脚，第三二极管（D3）的负端连接PNP型第六三极管（Q6）的发射极，第三二极管（D3）的正端连接PNP型第六三极管(Q6)的基极，PNP型第六三极管（Q6）的集电极输出控制第四开关(S4)，NPN型第四三极管（Q4）构成第四开关（S4），第四三极管（Q4）的基极连接第六三极管（Q6）的集电极，第四三极管（Q4）的集电极连接压电元件（PZT）的2脚，第四三极管（Q4）的发射极连接电感（L）的1脚。