一种用于压电能量收集的电压翻转与电荷提取电路制造技术

本发明专利技术公开了一种用于压电能量收集的电压翻转与电荷提取电路，包括压电元件、电压翻转与电荷提取电路、电感续流电路和储能电路，压电元件、电压翻转与电荷提取电路、电感续流电路依次连接后其输出端接储能电路。电压翻转与电荷提取电路包括串联连接的第一同步开关和电感，电感续流电路由依次连接的第二同步开关、电感和续流二极管组成，储能电路包括并联连接的滤波电容和负载。本发明专利技术引入低功耗的电子断路器来实现自供电的电压翻转与电荷提取电路，避免了传统整流桥的使用，降低了电路的功耗，电子断路器包括依次连接的峰值检测器、比较器和电子开关。此外，本发明专利技术兼具功率收集能力增强和无负载依赖的优点，并且实现了自供电。电。电。

【技术实现步骤摘要】
一种用于压电能量收集的电压翻转与电荷提取电路


[0001]本专利技术属于压电能量收集领域，具体涉及一种用于压电能量收集的电压翻转与电荷提取电路。

技术介绍

[0002]无线传感网络(WSN)节点的持续供电是物联网(IoT)技术的关键问题，传统的化学电池在实际使用中有诸多弊端如体积庞大、需要定期更换、易造成环境污染等，限制着无线传感网络的发展。以压电能量收集的形式收集环境中的振动能量是一种很有前景的解决方案，具有较高的能量密度、易于微型化、清洁环保等诸多优点。接口电路的设计是压电能量收集技术的关键，其性能直接决定了压电能量收集装置可以为负载提供多少能量。标准的能量收集(SEH)电路是一种简单稳定的接口电路，但是存在阻抗匹配问题，其输出电压和电流之间存在相位差，加上传统的桥式整流器功耗过大，这导致SEH电路效率极低，并且SEH电路的输出功率高度依赖于负载阻抗，工作带宽很小。并联同步开关电感(P
‑
SSHI)电路是对SEH电路的优化，通过引入非线性技术可以调节压电能量收集装置的输出电流与输出电压相位关系，从而提高输出功率，但是P
‑
SSHI的输出功率仍高度依赖负载。同步电荷提取(SECE)电路由整流桥和Buck
‑
Boost电路组成，可以周期性地提取压电元件上累积的所有电荷，并将相应的电能通过电感传递给电路负载，电感起到了负载隔离的作用，消除了阻抗匹配的需要，同时也提高了输出功率。实际上，为了实现P
‑
SSHI和SECE电路的功能，需要大量辅助设备如反激变压器、位移传感器、DSP控制器等，这些辅助设备的功耗甚至高于可收集功率，导致电路无法实现自供电，这违背了压电能量收集装置为无线传感网络节点供电的初衷。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，针对传统桥式整流(SEH)电路存在功耗过大、P
‑
SSHI和SECE电路辅助设备过多、无法实现自供电等问题，提出一种用于压电能量收集的电压翻转与电荷提取电路，通过引入低功耗的电子断路器来实现同步开关和桥式整流器的作用，减少了电路中使用的电子元件，降低了电路的功耗和启动阈值，兼具功率收集能力增强与无负载依赖的优点，而且解决了关键的自供电问题。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
[0005]本专利技术的用于压电能量收集的电压翻转与电荷提取电路，包括压电元件等效电路、电压翻转与电荷提取电路、电感续流电路以及储能电路。所述压电元件等效电路、电压翻转与电荷提取电路、电感续流电路依次连接，其输出端连接储能电路。
[0006]所述压电元件等效电路包括压电元件内部电容Cp、与内部电容并联的电流源ip，电流源ip提供了正比于压电元件振动大小的交流电流。
[0007]所述电压翻转与电荷提取电路包括串联连接的第一同步开关S1和电感L。压电元件等效电路的正输出电压Vp端连接电感L的输入端，电感L的输出端连接第一同步开关S1的
输入端，第一同步开关S1的输出端连接压电元件等效电路的负输出电压Vn端。
[0008]所述电感续流电路包括依次连接的第二同步开关S2、电感L、续流二极管D、滤波电容Cr。电感L的输入端同时连接压电元件等效电路的正输出电压Vp端、续流二极管D的输出端，电感L的输出端同时连接第一同步开关S1和第二同步开关S2的输入端。续流二极管D的输入端与滤波电容Cr的正整流电压Vr端连接，滤波电容Cr的负整流电压端与第二同步开关S2的输出端相连。
[0009]所述储能电路包括并联连接的滤波电容Cr和负载电阻RL。
[0010]所述电压翻转与电荷提取电路利用压电元件内部电容Cp与电感L发生并联谐振，通过控制第一同步开关S1的导通时间为1/2LC谐振周期，使压电元件等效电路的输出电压从正电压翻转到负电压；通过控制第一同步开关S1的导通时间为1/4LC谐振周期，使压电元件内部电容Cp上存储的电荷转移到电感L上，并以磁能(电流)的形式储存。
[0011]所述电感续流电路可以将电感L上的电流通过续流二极管D传递到滤波电容Cr上，以电荷(电压)的形式储存。
[0012]所述一种用于压电能量收集的电压翻转与电荷提取电路的工作原理如下：
[0013]正半周期的自然充电阶段：第一同步开关S1与第二同步开关S2均处于断开状态，随着压电元件的振动，压电元件内部电容Cp不断积累电荷，导致压电元件等效电路的正输出电压Vp不断增加，直至Vp达到正向峰值前的一瞬间，该阶段结束；
[0014]正半周期的电压翻转阶段：当压电等效电路的正输出电压Vp达到正向峰值时，第一同步开关S1闭合，第二同步开关S2断开，电感L与压电元件内部电容Cp形成第一LC谐振回路。第一同步开关S1闭合的时间为1/2LC谐振周期，该闭合时间远小于压电元件的机械振动周期，致使积累在压电元件内部电容Cp上的电荷经电感L再转移到压电元件的另一端，与此同时，压电元件等效电路的输出电压由正电压翻转为负电压。该阶段结束；
[0015]负半周期的自然充电阶段：第一同步开关S1与第二同步开关S2均处于断开状态，随着压电元件的振动，压电元件内部电容Cp上不断积累电荷，导致压电元件等效电路的负输出电压Vn不断增加，直至Vn达到负向峰值前的一瞬间，该阶段结束；
[0016]负半周期的电荷提取阶段：当压电元件等效电路的负输出电压Vn达到负向峰值时，第一同步开关S1闭合，第二同步开关S2断开，电感L与压电元件内部电容Cp形成第二LC谐振回路，第一同步开关S1闭合的时间为1/4个LC谐振周期，积累在压电元件内部电容Cp上的电荷通过第二谐振回路转移到电感L上，并以磁能(电流)的形式储存。直到压电元件内部电容Cp上的电荷全部转移到电感L上，即当电感L上的电流为最大时，该阶段结束；
[0017]负半周期的电感续流阶段：当压电元件内部电容Cp中的电荷完全转移到电感L上时，第一同步开关S1断开，与此同时，第二同步开关S2闭合，储存在电感L上的电荷通过续流二极管D转移到滤波电容Cr上。当电感L上的电流为0时，该阶段结束。
[0018]以上为压电元件在一个完整周期内的所有动作，此后重复上述运行过程。
[0019]与现有传统桥式整流电路相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
[0020]本专利技术电路拓扑结构简单，功耗小，在不使用传统的整流桥的情况下，实现了电压翻转、电荷提取、电感续流等功能，兼具功率收集能力增强和无负载依赖等优点，而且解决了关键的自供电问题。
附图说明
[0021]图1为本专利技术电压翻转与电荷提取电路的结构框图；
[0022]图2为本专利技术电压翻转与电荷提取电路的示意图；
[0023]图3为本专利技术基于电子断路器实现的自供电电压翻转与电荷提取电路的示意图；
[0024]图4为本专利技术自供电电压翻转与电荷提取电路对应的电压电流波形示意图；
[0025]图5为本专利技术电压翻转与电荷提取电路实验测试示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于压电能量收集的电压翻转与电荷提取电路，其特征在于，包括压电元件、电压翻转与电荷提取电路、电感续流电路和储能电路，压电元件、电压翻转与电荷提取电路、电感续流电路依次连接后，其输出端连接储能电路。所述电压翻转与电荷提取电路包括串联连接的第一同步开关(S1)和电感(L)，所述电感续流电路由第二同步开关(S2)、电感(L)和续流二极管(D)依次连接组成，所述储能电路包括并联连接的滤波电容(Cr)和负载(RL)；使用电子断路器实现了自供电的电压翻转与电荷提取电路，包括依次连接的压电等效电路、压电电压正半周期电子断路器、压电电压负半周期电子断路器以及电感续流电路。2.根据权利要求1所述的用于压电能量收集的电压翻转与电荷提取电路，其特征在于，所述压电电压正半周期电子断路器包括压电电压正半周期峰值检测器第一电容(C1)、压电电压正半周期比较器第一PNP管(Q1)、压电电压正半周期电子开关第二NPN管(Q3)，所述正半周期峰值检测器(C1)的输入端同时连接压电等效电路的正输出电压(Vp)端、正半周期比较器(Q1)的基极、正半周期电子开关(Q3)的集电极，所述正半周期峰值检测器(C1)的输出端同时连接正半周期比较器(Q1)的发射极、负半周期峰值检测器(C2)的输入端以及负半周期比较器(Q2)的发射极，所述正半周期比较器(Q1)的集电...

【专利技术属性】
技术研发人员：江虹，李学伟，王岳成，李博，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：