CN207074884U - 一种具有降压转换的压电能量收集电路及压电采集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于电子领域，提供了一种具有降压转换的压电能量收集电路及压电采集器，该电路包括：压电采集器件；全波整流桥，其输入端与压电采集器件的输出端连接；第一储能单元，其输入端与全波整流桥的输出端连接；低压关断检测器，其输入端与第一储能单元的输入端连接；降压转换器，其输入端与第一储能单元的输入端连接，其控制端与低压关断检测器的输出端连接；第二储能单元，其输入端与降压转换器的输出端连接；低压差线性稳压器，其输入端与第二储能单元的输入端连接；外接电阻，通过低压差线性稳压器的输出端接地。本实用新型在不依赖外部负载的条件下，保证稳定的直流电输出，提高能量收集效率。

Description

一种具有降压转换的压电能量收集电路及压电采集器

技术领域

本实用新型属于电子领域，尤其涉及一种具有降压转换的压电能量收集电路及压电采集器。

背景技术

压电振动能量收集技术以其采集能量密度高、设计简单及集成程度高等优势得到了广泛的关注和研究，但是该技术由于功率低且具有交流特性，因此不适合直接给微电子设备供电，需要经过AC-DC转换及滤波后才能应用于实际电路。

在使用整流桥和电容的标准储能电路进行压电转换处理时，电容电压Vrect随着充电过程逐渐增大，而压电材料产生的交流电Vp＝Vmax sin(ωt)，幅值Vmax不变，在任何一个周期内都有一个临界点使得Vrect>Vp，整流桥反偏，无法给电容充电，并且随着充电过程的持续，每个周期储存的能量越来越少，导致收集效率降低。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种具有降压转换的压电能量收集电路，旨在解决目前压电振动能量收集技术效率低的问题。

本实用新型实施例是这样实现的，一种具有降压转换的压电能量收集电路，所述电路包括：

生成交流的压电采集信号的压电采集器件；

对所述压电采集信号进行整流的全波整流桥，所述全波整流桥的输入端与所述压电采集器件的输出端连接；

利用整流后的压电采集信号储能的第一储能单元，所述第一储能单元的输入端与所述全波整流桥的输出端连接；

检测到所述第一储能单元上的电压大于预设电压时生成导通信号的低压关断检测器，所述低压关断检测器的输入端与所述第一储能单元的输入端连接；

根据所述导通信号导通并进行降压转换的降压转换器，所述降压转换器的输入端与所述第一储能单元的输入端连接，所述降压转换器的控制端与所述低压关断检测器的输出端连接；

在所述降压转换器导通时从所述第一储能单元获取电荷的第二储能单元，所述第二储能单元的输入端与所述降压转换器的输出端连接；

保持输出电压稳定的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器的输入端与所述第二储能单元的输入端连接；

调节输出电压的外接电阻，所述外接电阻通过所述低压差线性稳压器的输出端接地。

进一步地，所述全波整流桥、低压关断检测器和降压转换器集成于芯片中。

更进一步地，所述芯片为LTC3588型采集能源优化芯片。

更进一步地，所述低压差线性稳压器为LTC3009型低压差线性稳压芯片。

更进一步地，所述第一储能单元和第二储能单元均为电容。

更进一步地，所述压电采集器件为压电片。

更进一步地，所述低压差线性稳压器为LTC3009型低压差线性稳压芯片，所述第一储能单元为电容C2，所述第二储能单元为电容C4，所述压电采集器件为压电片，所述电路还包括：

电容C1、电容C3、电容C5、电感L1和发光二极管LED；

以及LTC3588型采集能源优化芯片U1和LTC3009型低压差线性稳压芯片U2；

所述压电片的两输出端与所述LTC3588型采集能源优化芯片的PZ1引脚和PZ2引脚连接，所述LTC3588型采集能源优化芯片的CAP引脚通过所述电容C1与所述LTC3588型采集能源优化芯片的VIN引脚连接，所述LTC3588型采集能源优化芯片的VIN引脚通过所述电容C2接地，所述LTC3588型采集能源优化芯片的DO引脚、DO1引脚和VIN2引脚连接，并同时通过所述电容C3接地，所述LTC3588型采集能源优化芯片的SW引脚通过所述电感L1与所述LTC3588型采集能源优化芯片的VOUT引脚连接，且所述VOUT引脚通过所述电容C4接地，所述LTC3588型采集能源优化芯片的GOOD引脚与所述LTC3009型低压差线性稳压芯片的SHD引脚连接，所述LTC3009型低压差线性稳压芯片的IN引脚与所述LTC3588型采集能源优化芯片的VOUT引脚连接，所述LTC3009型低压差线性稳压芯片的GND引脚接地，所述LTC3009型低压差线性稳压芯片的OUT引脚分别通过所述电容C5和所述发光二极管LED接地。

本实用新型实施例的另一目的在于，提供一种包括上述具有降压转换的压电能量收集电路的压电采集器。

本实用新型实施例可在不依赖外部负载的条件下，保证稳定的直流电输出，提高能量收集效率，并且不需要附加的控制电路来优化能量输出，即使在中等或强耦合条件下，同样可以起到提高收集效率的作用。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的具有降压转换的压电能量收集电路的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的具有降压转换的压电能量收集电路的示例电路图；

图3为本实用新型实施例提供的具有降压转换的压电能量收集电路在多个实验周期的示波器截图；

图4为本实用新型实施例提供的具有降压转换的压电能量收集电路压电梁输出电压和功率曲线图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型实施例可在不依赖外部负载的条件下，保证稳定的直流电输出，提高能量收集效率，并且不需要附加的控制电路来优化能量输出，即使在中等或强耦合条件下，同样可以起到提高收集效率的作用。

图1示出了本实用新型实施例提供的具有降压转换的压电能量收集电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分。

作为本实用新型一实施例，该具有降压转换的压电能量收集电路可以应用于各种压电采集器中，特别适用于压电传感器或者其它高输出阻抗能源的压电采集器。

该具有降压转换的压电能量收集电路包括：

压电采集器件10，用于生成交流的压电采集信号；

全波整流桥11，用于对压电采集信号进行整流，全波整流桥11的输入端与压电采集器件10的输出端连接；

第一储能单元12，用于利用整流后的压电采集信号储能，第一储能单元12的输入端与全波整流桥11的输出端连接；

低压关断(Low Voltage Shut Down，UVLO)检测器13，用于检测到第一储能单元12上的电压大于预设电压时生成导通信号，检测到第一储能单元12上的电压小于预设电压时生成关断信号，低压关断检测器13的输入端与第一储能单元12的输入端连接；

降压(Buck)转换器14，用于根据导通信号导通并进行降压转换，根据关断信号关断转换，降压转换器14的输入端与第一储能单元12的输入端连接，降压转换器14的控制端与低压关断检测器13的输出端连接；

第二储能单元15，用于在降压转换器14导通时从第一储能单元12获取电荷，第二储能单元15的输入端与降压转换器14的输出端连接；

低压差线性稳压器16，用于保持输出电压稳定，低压差线性稳压器16的输入端与第二储能单元15的输入端连接；

外接电阻17，用于调节输出电压，外接电阻17通过低压差线性稳压器16的输出端接地。

在本实用新型实施例中，全波整流桥11将压电采集器件10采集生成的交流电进行整流，并将整流后的电能暂时存放在第一储能单元12上，通过UVLO检测器13来检测第一储能单元12上的电压，当第一储能单元12上的电压达到UVLO检测器13所控制的上限临界值，Buck转换器14导通，电荷从第一储能单元12传输至第二储能单元15上。当第一储能单元12上的电压低于UVLO检测器13所设置的下降临界值时，Buck转换器14断开，如此反复。

在上述工作模式下，负载电流由第二储能单元15提供，并进一步通过低压差线性稳压器16和外接电阻17，在调节输出电压后稳定输出电压。

优选地，压电采集器件10可以为压电片。

优选地，全波整流桥11、低压关断检测器13和降压转换器14均可以集成于芯片中。低压差线性稳压器16也可以采用集成电路实现。第一储能单元12和第二储能单元15均可以采用电容实现。

以下通过具体示例电路进行说明。

图2示出了本实用新型实施例提供的具有降压转换的压电能量收集电路的示例电路，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分。

作为本实用新型一实施例，该具有降压转换的压电能量收集电路包括：

压电片10、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电感L1、发光二极管LED，以及LTC3588型采集能源优化芯片U1和LTC3009型低压差线性稳压芯片U2；

压电片10的两输出端与LTC3588型采集能源优化芯片U1的PZ1引脚和PZ2引脚连接，LTC3588型采集能源优化芯片U1的CAP引脚通过电容C1与VIN引脚连接，LTC3588型采集能源优化芯片U1的VIN引脚通过电容C2接地，LTC3588型采集能源优化芯片U1的DO引脚、DO1引脚和VIN2引脚连接，并同时通过电容C3接地，LTC3588型采集能源优化芯片U1的SW引脚通过电感L1与VOUT引脚连接，且该VOUT引脚通过电容C4接地，LTC3588型采集能源优化芯片U1的GOOD引脚与LTC3009型低压差线性稳压芯片U2的SHD引脚连接，LTC3009型低压差线性稳压芯片U2的IN引脚与LTC3588型采集能源优化芯片U1的VOUT引脚连接，LTC3009型低压差线性稳压芯片U2的GND引脚接地，LTC3009型低压差线性稳压芯片U2的OUT引脚分别通过电容C5和发光二极管LED接地。

其中，LTC3588型采集能源优化芯片U1用于采集和优化低压能源，它集成了一个低损耗桥式整流器、一个高效降压型转换器和一个负责接通/关断降压型转换器的低偏置UVLO检测器。在2.7V至20V的输入电压范围内，其高效降压型DC/DC转换器可提供高达100mA的连续输出电流，尤其适合于压电传感器或者其它高输出阻抗能源的压电采集器。

LTC3009型低压差线性稳压芯片U2作为低压差线性稳压器，具有多种固定的输出电压，而且可以通过引脚的外接电阻来调节输出电压，其输出处于稳定状态时静态电流仅为3μA。

在本实用新型实施例中，LTC3588芯片通过内部的全波整流桥将压电采集信号由PZ1引脚和PZ2引脚输入的交流电进行整流；整流后的电能暂时存放在与VIN引脚相连的电容C2上。

当引脚VIN上的电压达到UVLO检测器所控制的上限临界值，Buck转换器导通，电荷从输入电容C2传输至输出电容C4上；当输入电容的电压低于UVLO检测器所设置的下降临界值时，Buck转换器断开，如此反复。

在上述工作模式下，负载电流由Buck转换器的输出电容C4提供。通过连接DO引脚和DO1引脚可以实现四种可选的输出电压，图2的连接方法保证输出电压为3.6V。输出电压VOUT引脚连接LTC3009型低压差线性稳压芯片U2的输入端IN，可将输出电压调节至稳定的3.3V。

电容C5用于降低输出电压噪声，发光二极管LED用于测试输出电能的大小，此处，通过电感L1的大小和振动频率的大小确定外接电阻的大小。

本实用新型实施例可以通过由Labwork ET-126激振器以及功率放大器、Tektronix DPO4054示波器、信号发生器、加速度传感器及其配套的直流电源等组成的实验平台验证其收集效率，其中，压电悬臂梁选用PIEZO Systems,Inc.公司的型号为Q220-A4-203YB的压电晶片，该晶片选用PZT-5A型压电材料。实验中在其自由端粘贴了0.3克的质量块用于降低谐振频率，实际测试压电梁的谐振频率约为171Hz。在实验过程中，首先将压电梁直接与外部电阻相连，用于测试压电梁在特定振动条下所能产生的最大功率。

图4给出了在30m/s2的振动加速度和谐振频率条件下，压电梁的输出电压和功率与外接负载之间的实验曲线。从图中可以看出，压电梁的输出电压随着负载阻值的增大而增大，而输出功率则是随着阻值的增加而先增大后减小，并且在阻值为65kΩ时输出电压5.25V，输出功率最大，达到Pmax＝0.424mw。这说明压电梁在振动的条件下，其输出功率在外接优化电阻时达到最大。由于外接Buck转换器电路所产生的最大功率与直接电阻相连的条件下相同，所以进一步将压电梁的输出端连接到本申请的具有降压转换的压电能量收集电路中的LTC3588型采集能源优化芯片U1的PZ1引脚和PZ2引脚，并在相同的外部振动条件下进行实验测试。

图3所示为在多个实验周期的示波器截图，其中折线L1表示储能电容C4(220μF)的电压变化，而红色的垂直线L2则表示电压调节器(LTC3009)输出电压的变化。由图可知，电容在经历tch＝6s的充电时间后开始放，输出电压VOUT为2.72V。而每次充电的过程中电容电压从VL＝3.3V上升到VH＝5.3V，实验结果与理论设定值比较接近。

根据实验数据可知，在一个充电周期内储能电容的电压从3.3V上升到5.3V，其储存的电能可以表示为：

而在充电周期内(tch＝6s)，压电梁可以产生的最大电能约为:

E_G＝P_maxt_ch＝424mw×6s＝2544μJ (14)

对比式(13)和(14)可知本申请的具有降压转换的压电能量收集电路的效率约为83.7％。为了测试电路的稳定性，将电路中的储能电容C4替换为1000μF，然后在相同的外部激励条件下再次进行测试，其实验数据与220μF条件下的对比关系参见表1。

表1

由表1可知，电容较小时充电时间短，储存的电能较少，相应的负载工作时间也短；但电路的导通和截止电压相同，同时输出的直流电压也一致，而且储能效率基本相同，说明电路的控制性能稳定。

通过上述分析、实验数据能够得出，本实用新型实施例可在不依赖外部负载的条件下，保证稳定的直流电输出，提高能量收集效率，并且不需要附加的控制电路来优化能量输出，即使在中等或强耦合条件下，同样可以起到提高收集效率的作用。

本实用新型实施例的另一目的在于，提供一种包括上述具有降压转换的压电能量收集电路的压电采集器。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有降压转换的压电能量收集电路，其特征在于，所述电路包括：

生成交流的压电采集信号的压电采集器件；

对所述压电采集信号进行整流的全波整流桥，所述全波整流桥的输入端与所述压电采集器件的输出端连接；

利用整流后的压电采集信号储能的第一储能单元，所述第一储能单元的输入端与所述全波整流桥的输出端连接；

检测到所述第一储能单元上的电压大于预设电压时生成导通信号的低压关断检测器，所述低压关断检测器的输入端与所述第一储能单元的输入端连接；

根据所述导通信号导通并进行降压转换的降压转换器，所述降压转换器的输入端与所述第一储能单元的输入端连接，所述降压转换器的控制端与所述低压关断检测器的输出端连接；

在所述降压转换器导通时从所述第一储能单元获取电荷的第二储能单元，所述第二储能单元的输入端与所述降压转换器的输出端连接；

保持输出电压稳定的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器的输入端与所述第二储能单元的输入端连接；

调节输出电压的外接电阻，所述外接电阻通过所述低压差线性稳压器的输出端接地。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述全波整流桥、低压关断检测器和降压转换器集成于芯片中。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述芯片为LTC3588型采集能源优化芯片。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述低压差线性稳压器为LTC3009型低压差线性稳压芯片。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一储能单元和第二储能单元均为电容。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述压电采集器件为压电片。

7.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述低压差线性稳压器为LTC3009型低压差线性稳压芯片，所述第一储能单元为电容C2，所述第二储能单元为电容C4，所述压电采集器件为压电片，所述电路还包括：

电容C1、电容C3、电容C5、电感L1和发光二极管LED；

以及LTC3588型采集能源优化芯片U1和LTC3009型低压差线性稳压芯片U2；

所述压电片的两输出端与所述LTC3588型采集能源优化芯片的PZ1引脚和PZ2引脚连接，所述LTC3588型采集能源优化芯片的CAP引脚通过所述电容C1与所述LTC3588型采集能源优化芯片的VIN引脚连接，所述LTC3588型采集能源优化芯片的VIN引脚通过所述电容C2接地，所述LTC3588型采集能源优化芯片的DO引脚、DO1引脚和VIN2引脚连接，并同时通过所述电容C3接地，所述LTC3588型采集能源优化芯片的SW引脚通过所述电感L1与所述LTC3588型采集能源优化芯片的VOUT引脚连接，且所述VOUT引脚通过所述电容C4接地，所述LTC3588型采集能源优化芯片的GOOD引脚与所述LTC3009型低压差线性稳压芯片的SHD引脚连接，所述LTC3009型低压差线性稳压芯片的IN引脚与所述LTC3588型采集能源优化芯片的VOUT引脚连接，所述LTC3009型低压差线性稳压芯片的GND引脚接地，所述LTC3009型低压差线性稳压芯片的OUT引脚分别通过所述电容C5和所述发光二极管LED接地。

8.一种压电采集器，其特征在于，所述压电采集器包括如权利要求1-7任一项所述的具有降压转换的压电能量收集电路。