[发明专利]SCEI接口电路

说明书

技术领域

本发明涉及基于压电效应的能量回收技术，具体涉及一种新型能量回收接口电路。

背景技术

由于无线技术和微机电系统技术的进步，对便携式电子设备和无线传感器的供电设备的供电需求也与日俱增，目前这些设备大都以锂电池为主。由于寿命所限，锂电池在使用时需要更换电池，但是在某些场合下更换电池也是一项成本很高且不太现实的工作。所以，开展新的无线供能技术的研究己成为当务之急。基于压电效应的能量回收系统是将自然界广泛存在的机械振动能转换为电能，该能量回收系统具有输出功率大、对电子器件不产生电磁干扰、体积小、易于器件的小型化等优点。目前，基于压电效应的能量回收系统的研究工作在国内外均处于探索阶段，尚有大量的理论和试验问题需要解决，高效实用的能量回收接口电路在目前的专利和文献中也很少，常见的接口电路有标准接口、SECE接口、

Parallel-SSHI接口、Series-SSHI接口。标准接口电路简单且易于实现，但回收功率低并且会随负载变化而变化；SECE接口电路的回收功率在理论上是标准接口的四倍且不会随负载变化；Parallel-SSH和Series-SSHI接口电路的回收功率较SECE接口更大但会随负载的变化而变化。这些接口电路尚远远不能满足能量回收系统的需要，仍然需要不断研究和开发高效实用的接口电路。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明公开了一种SCEI接口电路，英文全称为Synchronous Charge Extraction and Inversion Interface，即压电能量回收接口电路。该接口电路和现有接口电路相比，不仅回收功率大并且回收功率不随负载变化而变化。

SCEI接口电路包括如下结构：由压电片、电感L₁、电子开关S₁组成的L₁C_P振荡电路（1），由四个二极管组成的全桥整流电桥D₁（2），由电感L₂、开关S₂、续流二极管D₂、滤波电容C_r组成的升压降压转换器（3），外界负载R_L（4）；L₁C_P振荡电路（1）依次连接全桥整流电桥D₁（2）、升压降压转换器（3）和外接负载R_L（4）。

SCEI接口电路在每个机械振动周期内进行两次能量回收，每次能量回收可分为能量提取、电压翻转、电路开路三个阶段。在机械振动位移的极大值变化到极小值这半个机械振动周期中包含的能量提取、电压翻转、电路开路三个阶段分别为：

（1）能量提取阶段:当机械振动位移达到最大值时，压电片电压V达到最大值V_P，开关S₂闭合，此时存储在压电片上的电能向电感L₂转移，压电片电压V随之下降。当下降到γ·V_P时，开关S₂断开，其中γ为L₁C_P振荡电路的翻转系数，0<γ<1。转移至电感L₂中的电能随后通过续流二极管D₂转移到滤波电容C_r和负载R_L中。

（2）电压翻转阶段：开关S₂断开瞬间，开关S₁闭合，此时电感L₁、开关S₁、压电片将组成L₁C_P振荡回路。当半个L₁C_P振荡周期结束之后，开关S₁断开，由于存在能量损失，压电片电压V由振荡之前的γV_P翻转为振荡之后的-γ²V_P。

（3）电路开路阶段：当上述开关S₁断开之后，压电片流出的电流I为零，此后压电片电压V随着振动位移逐渐向反方向变大，当机械振动位移达到负的最大值时，压电片的电压V达到负的最大值-V_P，此时半个振动周期结束。