一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路制造技术

一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路属于压电能量收集领，包括启动电路模块、非线性能量提取电路模块、开关控制电路模块、开关控制电路模块、自供电模块、过压保护模块。电路初始阶段，能量存储元件通过启动电路收集能量，模式切换电路监测能量存储元件两端的电压：当电压不够时，以标准能量收集的方式收集能量；当电压足够后，通过非线性能量提取电路收集。非线性能量提取电路的开关信号由开关控制电路产生，开关控制电路工作所需的电压由能量存储元件两端的电压经DC‑DC转换获得。本发明专利技术提出的电路具有较高的输出功率以及与负载无关的优点，电路可以高效的将环境中的振动转化为电能从而为低功耗无线传感器节点供电。

【技术实现步骤摘要】
一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路
本专利技术属于压电能量收集领域，涉及自供电的一种新型压电能量收集电路的实现方法，尤其涉及一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路。
技术介绍
随着传感器网络的发展，无线传感器节点广泛用于大型机械、建筑的结构健康监测。传感器网络具有节点数目多、分布广泛、部署环境复杂、维护成本高等特点。由于电池容量有限且在很多应用场合更换电池困难，收集环境中的能源用于无线传感器节点自供电成为研究热点。现阶段振动能量收集主要有摩擦式、压电式、电磁式、磁致伸缩式等。压电能量收集具有易集成、容易做得微型化且对电子器件不产生电磁干扰等优点。由于压电能量收集器产生的电压是交变的，而电子设备所需的电压通常是稳定的直流电压，因此设计能量管理电路变得尤为重要。最简单经典的接口电路由整流桥和滤波电容组成，称为标准能量收集电路。该电路实现了AC-DC转换但能量收集效率较低。为了提高压电能量收集效率，通过非线性开关使压电元件电压与电流同极性或增大压电元件两端的电压来提高压电输出功率的非线性能量收集技术被提出。包括串联同步开关电感电路(S-SSHI)、并联同步开关电感电路(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路，该电路采用两片同位配置的压电片PZT1和PZT2，PZT1专用于俘能，PZT2用于检测PZT1的位移，其特征在于，所述的压电同步电荷提取与电压翻转电路包括：用于为开关控制电路(5)提供初始工作电压的启动电路(1)；用于在标准和SCEVI之间切换的模式切换控制电路(2)；用于电压调整的DC‑DC电路(3)；基于SCEVI的非线性能量提取电路(4)；用于为非线性能量提取电路(4)提供开关控制信号的开关控制电路(5)；过压检测与保护电路(6)；初始阶段，启动电路(1)以标准能量收集方式收集PZT1的能量，为能量存储元件充电；模式切换控制电路(2)监...

【技术特征摘要】
1.一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路，该电路采用两片同位配置的压电片PZT1和PZT2，PZT1专用于俘能，PZT2用于检测PZT1的位移，其特征在于，所述的压电同步电荷提取与电压翻转电路包括：用于为开关控制电路(5)提供初始工作电压的启动电路(1)；用于在标准和SCEVI之间切换的模式切换控制电路(2)；用于电压调整的DC-DC电路(3)；基于SCEVI的非线性能量提取电路(4)；用于为非线性能量提取电路(4)提供开关控制信号的开关控制电路(5)；过压检测与保护电路(6)；初始阶段，启动电路(1)以标准能量收集方式收集PZT1的能量，为能量存储元件充电；模式切换控制电路(2)监测能量存储元件的电压，当电压达到高阈值后，模式切换控制电路(2)断开SW1，能量存储元件的电压经DC-DC电路(3)后为开关控制电路(5)提供所需的直流电压，开关控制电路(5)为非线性能量提取电路(4)提供开关控制信号，模式切换控制电路(2)将能量收集模式切换为非线性能量收集模式；当过压检测与保护电路(6)检测到能量存储元件的电压高于设定值时，切断模式切换控制电路(2)和DC-DC电路(3)，并将能量存储元件的电压稳定在设定值；启动电路(1)先为开关控制电路(5)提供所需的初始启动电压，电路稳定工作后，再由非线性能量提取电路(4)为开关控制电路(5)和负载供电，实现自供电；所述的启动电路(1)，包括：整流桥，由Nmos管M1、M2组成的开关SW1，电阻R1与电容C6组成的标准能量收集电路，保证电压单向传输的二极管D1；在电路启动阶段，PZT1的能量经整流桥、闭合的开关SW1后通过电阻R1为电容C6充电，C6上的电流通过二极管D1流向储能电容C7；所述的M1的栅极与模式切换控制电路(2)中比较器U2输出的开关控制信号VH相连；所述的模式切换控制电路(2)，包括：基准电压芯片U1，比较器U2，分压电阻R6、R7，基准电压芯片U1的分压电阻R8、R9、R10，滤波电容C1，Nmos管M3与Pmos管M4构成的开关，用于改变阈值的Nmos管M5；所述的R6、R7对储能电容C7上的电压分压并将R7上的电压取至比较器U2的同相端，基准电压源U1将储能电容C7上的电压转换为稳定基准直流电压后经R8、R9、R10分压，并将R9、R10上的电压取至比较器U2的反相端；比较器U2的输出为VH，作为M3、M4组成的开关的控制信号；Pmos管M4的源极通过过压保护电路(6)的常闭Pmos开关管M12与储能电容C7的正极相连，Pmos管M4的漏极一路接DC-DC电路(3)的输入端，一路接Nmos管M5的栅极，Nmos管M5的漏源极与电阻R10并联；所述的DC-DC电路(3)，包括：低压差线性稳压器芯片U3，稳压充电泵负输出转换器U4，滤波电容C2、C3、C4；所述的U3、U4的输入端均通过开关M12和开关M4与储能电容C7相连；U3、U4的功能是产生用于为开关控制电路(5)以及负载供电的直流正、负电压；所述的非线性能量提取电路(4)，包括：整流桥，开关SW3、SW4和电感L3、L4构成的电压翻转电路，开关SW2、变压器L1-L2构成的电荷提取电路；所述的电感L3两端分别与PZT1正极、开关SW3相连，SW3由Nmos管M8、Pmos管M9、二极管D8、电阻R15、R16组成，SW3受开关控制电路(5)中与门A11的输出CV+控制；当CV+为高电平时，开关管M8、M...

【专利技术属性】
技术研发人员：董维杰，杨航，白凤仙，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21