一种自供电式非线性压电振动能量提取电路制造技术

本发明专利技术公开了一种自供电式非线性压电振动能量提取电路，包括用于收集压电材料由于应变产生的电荷并将其转换为直流电输出给外界负载供电的非线性能量提取电路模块；用于检测压电材料表面的电荷极值，并发出控制信号以控制非线性能量提取电路的通断的极值检测电路模块；和向非线性能量收集电路模块和极值检测电路模块中低功耗电子器件供电的供电电路模块。本发明专利技术提出的非线性能量提取电路回收功率相比标准电路得到极大的提高，并且具有很高的输出电压，可匹配多种电源管理方式，对于无线网络式传感节点的供电具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种自供电式非线性压电振动能量提取电路
本专利技术涉及一种提取振动能量的电路，尤其涉及一种利用压电材料对环境振动能量提取的自供电式电路。
技术介绍
目前，无线系统和微功耗的电子设备已在日常生活中得到广泛运用，随着微功耗电子元器件的进一步发展，无线网络式传感系统也广泛应用于各种监测系统，例如对大型机械设备、高速交通工具、野外生态环境、道路、桥梁、水库等大型建筑物进行监测，提高设备运行可靠性，降低维护费用。然而，目前绝大多数无线传感器节点仍采用电池供电，由于电池工作寿命有限，导致无线传感节点不易于安装且需要定期更换电池，在很大程度上增加了设备运行维护费用，并且大量的使用电池，也给环境带来了很大污染。因此，开发一种新型供电电源成为解决这一问题的有效方案而被逐渐提上日程。另外，无线传感网络的低功耗化进一步驱动了对开发新的能源系统的研究，由于节点的功耗极低，外界坏境中存在多种类型的能量满足节点的能量消耗。自然环境中存在着太阳能、温差能、振动能等多种形式的能量，然而太阳能和温差能的功能技术受到自然环境的制约而难以广泛应用，而从机械振动中获取能量被证明是切实可行的。目前将振动能转化成电能一般采用三种方法：电磁式、静电式和压电式。由于压电式能量回收系统的输出功率较大，体积小，易于器件的小型化和集成化，对电子器件不产生电磁干扰，因此国内外许多研究机构和学者们都对压电式能量回收系统展开了研究。对于压电式能量回收系统的研究主要集中在三个方面：材料、结构和接口电路。压电材料主要有压电单晶、压电陶瓷、聚偏氟乙烯等。能量回收结构的设计包括单层、多层压电能量回收装置，压电叠堆等等。而接口电路方面，目前主要有多种典型应用接口电路：其中最简单经典的接口电路为一个二极管全波整流电桥和一个滤波电容组成，但是这种接口电路不仅回收功率低下，并且回收的功率受负载阻抗的影响非常大。为解决这一问提。许多开关类型的非线性能量提取电路被提了出来。主要有同步开关电感回收（SSHI）电路、同步电荷提取（SECE）电路、优化型同步电荷提取（OSECE）电路、双同步开关电感回收（DSSH）电路、增强型双同步开关电感回收（ESSH）电路等。这些开关类型的电路均是通过控制模拟开关的通断，在压电元件上电荷积累至极大值时，使能量采集电路导通，一次性将电荷全部提取至储能电路，大大提高了能量回收的效率。然而SSHI电路回收功率仍然受负载阻抗的影响较大，而SECE、OSECE、DSSH、ESSH电路很好地解决了这一问题，其回收功率与负载无关，能很好地满足能量回收实际应用的需要。但是SECE电路要求开关闭合时间在微秒级别并且要求非常精确，在实际应用中很难实现不依靠外界供电而独立工作，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，使SECE电路成为简单、高效、独立的能量收集系统。DSSH电路在很大程度上提高了电路回收功率，但是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距离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。
技术实现思路
技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供一种自供电式的压电振动能量提取电路。该电路能够高效回收环境振动能量，克服了以往能量收集电路输出功率随负载变化而变化的缺点。同时，该电路优化了以往电路的供电模式，使得该电路可以不依靠外界电源供电而独立工作，并且该电路最终输出功率和输出电压也得到进一步提高。可广泛用于无线传感器网络节点及其他微功耗电子器件的供电。技术方案为了解决上述的技术问题，本专利技术的自供电式非线性压电振动能量提取电路包括：用于收集压电材料由于应变产生的电荷并将其转换为直流电输出给外界负载供电的非线性能量提取电路模块；用于检测压电材料表面的电荷极值，并发出控制信号以控制非线性能量提取电路的通断的极值检测电路模块；和向非线性能量收集电路模块和极值检测电路模块中低功耗电子器件供电的供电电路模块。其中，所述非线性能量提取电路用于收集粘贴于外界振动结构表面的压电材料由于应变产生的电荷，并将其转换为直流电输出给外界负载供电，使得整个能量收集系统成为不需依靠外界电源的独立工作系统，满足一般无线传感器网络及微功耗电子设备的供电要求。更进一步地，所述的非线性能量提取电路模块包括第一压电元件，第一、第二、第三模拟开关，第三、第四、第五、第六二极管，第一、第二储能电容，阈值控制电路、电感和升压/降压转换器，其中，所述的第一压电元件第一端通过电感与第一模拟开关第一端连接，第一模拟开关第二端连接于第三二极管正极和第四二极管负极之间；第一压电元件第二端连接于第五二极管正极和第六二极管负极之间；所述第一储能电容第一端与第五二极管负极连接，第二端与第六二极管正极连接；第一储能电容第一端通过第二模拟开关与升压/降压转换器原边的阳极连接，升压/降压转换器原边的阴极与第一储能电容第二端连接；升压/降压转换器副边的阳极通过第七二极管与第二储能电容的阳极相连，副边的阴极与第二储能电容的负极相连；所述的阈值控制电路检测所述第一储能电容上的电压信号，并向第三模拟开关发出驱动信号，所述阈值控制电路由一个低功耗的第五电压比较器实现；其中所述第一、第二模拟开关分别用于控制所述非线性能量提取电路的通断，当所述非线性能量提取电路导通时，可提取第一压电元件由于环境振动而产生的电荷并通过所述四个整流二极管将交流电压整流为直流，存储于第一储能电容。所述阈值控制电路用于检测所述第一储能电容上的电压信号，当第一储能电容上的电压高于一定值时，由阈值控制电路产生对于第三模拟开关的驱动信号,使得第一储能电容上能量通过所述升压/降压转换器转移至第二储能电容。所述升压、降压转换器其实质是一个高品质因数的单端反激式变压器，包括一个原边线圈和一个副边线圈。其原边线圈的阳极和第一储能电容的正极相连，原边线圈的阴极和第一储能电容的负极相连，副边线圈的阳极通过第七二极管与第二储能电容的阳极相连，副边线圈的阴极与第二储能电容的负极相连。由第二储能电容上的电压对外界负载供电。具体地，第一模拟开关由第一P型场效应管组成，第一场效应管的集电极与第五二极管的正极连接，第五二极管的负极与第三二极管的正极连接。第一场效应管的发射级与“地”端连接。第二模拟开关由第二P型场效应管组成，第二P型场效应管的集电极与第六二极管的正端连接，第六二极管的负极与第四二极管的正极连接。第二场效应管的发射集也与“地”端连接。第一储能电容的正极与第三、第四二极管的负极连接，同时第一储能电容的正极与第五电压比较器的输入端相连，第一储能电容的负极与“地”端连接。第三模拟开关由第三、第四场效应管组成，第三场效应管是一个N型场效应管，其发射集与“地”端相连，基极与第五电压比较器的输出端相连，集电极与第四P型场效应管的基极相连，第四场效应管的发射集与第一储能电容和第六电阻的正极相连，第六电阻的负极与第四场效应管的基极相连，第四场效应管的集电极与单端反激式变压器的原边线圈的正极相连，原边线圈的负极与“地”相连。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自供电式非线性压电振动能量提取电路，其特征在于，包括：用于收集压电材料由于应变产生的电荷并将其转换为直流电输出给外界负载供电的非线性能量提取电路模块；用于检测压电材料表面的电荷极值，并发出控制信号以控制非线性能量提取电路的通断的极值检测电路模块；和向非线性能量收集电路模块和极值检测电路模块中低功耗电子器件供电的供电电路模块。

【技术特征摘要】
1.一种自供电式非线性压电振动能量提取电路，其特征在于，包括：用于收集压电材料由于应变产生的电荷并将其转换为直流电输出给外界负载供电的非线性能量提取电路模块；用于检测压电材料表面的电荷极值，并发出控制信号以控制非线性能量提取电路的通断的极值检测电路模块；和向非线性能量收集电路模块和极值检测电路模块中低功耗电子器件供电的供电电路模块；其中，所述的非线性能量提取电路模块包括第一压电元件，第一、第二、第三模拟开关，第三、第四、第五、第六二极管，第一、第二储能电容，阈值控制电路、电感和升压/降压转换器，其中，所述的第一压电元件第一端通过电感连接于第三二极管正极与第五二极管负极之间，第一压电元件第二端连接于第四二极管正极与第六二极管负极之间；第一模拟开关由第一P型场效应管组成，第一场效应管的集电极与第五二极管的正极连接，第五二极管的负极与第三二极管的正极连接，第一场效应管的发射级与“地”端连接；第二模拟开关由第二P型场效应管组成，第二P型场效应管的集电极与第六二极管的正极连接，第六二极管的负极与第四二级管的正极连接，第二P型场效应管的发射级与“地”端连接；所述第一储能电容第一端与第三、第四二极管负极连接，第一储能电...

【专利技术属性】
技术研发人员：季宏丽，王玉霞，裘进浩，吴义鹏，程衍伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：