[实用新型]一种自供电的压电振动能量同步提取电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及振动能量收集领域，尤其涉及一种自供电的压电振动能量同步提取电路。

背景技术

随着集成电路技术、精密加工技术、计算机技术、无线网络通讯技术的不断发展，以无线传感器网络(WSNs)为主要应用形式的各种微型电子设备、微机电系统（MEMS）不断涌现。随着 WSNs在医疗保健（穿戴式、嵌入式或植入式的医疗监测仪器等）、环境监测系统（森林火灾、洪水监测、气候变化、海洋监测等）、家用安全系统等各个领域的深入发展，对作为节点的各种微型电子设备的性能提出了更高的要求，其中备受关注的是节点寿命问题。在某些应用中，如用于环境灾害监测而设置在气候恶劣地区或森林海洋等难进入区域的传感节点、医疗保健用途的植入式无线传感节点等，一旦电源耗尽或受到损坏，不仅节点信息采集中断，还会影响整个网络信息处理的准确性。

压电式振动能量采集器利用压电材料的正压电效应，将环境中的振动能转换为电能。目前，低功耗的电子器件与无线电射频技术的广泛应用为压电式振动能量的利用提供了更大的发展平台。

由于振动使压电元件输出的电压是交变的，而常见的微型电子设备及无线传感网络节点的供电是需要稳定的直流电压，所以，在压电元件与用电设备之间需要设计接口电路，目前有几种常见接口电路，其中最经典的是简单的二极管全桥整流和一个滤波电容的整流滤波电路，但是，由于压电元件的内部等效电路中电容Cp的存在，压电元件首先要对Cp充电，当Cp的电压超过整流桥后端的滤波电容的电压再加上两个二极管的压降后，才能对后端的电容充电，导致这种电路不仅回收效率低，而且回收的功率受后端电容电压和负载的大小影响。因此，研究人员提出了多种非线性能量提取电路，主要包括并联Lefeuvre 和Guyomar 等提出的同步开关电感电路（P-SSHI）、Taylor 等提出的串联同步开关电感电路（S-SSHI）、Lefeuvre 等提出的同步电荷提取电路（SECE），及在这三种电路基础上派生出来的Lallart 等提出的双同步开关电路（DSSH）、南京航空航天大学裘进浩等提出的优化型同步电荷提取电路（OSECE）和增强型双同步开关电感回收电路（ESSH）等。

P-SSHI电路当结构振动到极值时，快速闭合与压电元件电容Cp并联的电感，同步开关电感的主要作用是通过LC谐振使压电元件电压快速翻转，能有效增大压电片的开路电压，在一个周期内增加能量传输的时间。而在S-SSHI电路中，同步开关电感的主要作用通过两个电容和一个电感的LC谐振提取压电元件电荷。然而这两种电路回收功率仍然受后端电容电压及负载阻抗的大小影响较大。

SECE、OSECE、DSSH、ESSH 电路解决了这一问题，其回收功率与后端电容及负载大小无关。然而，这些电路在理论上非常具有优势，实际实现起来却过于复杂。主要是由于同步电荷提取SECE 技术中涉及到电子开关的闭合时间控制，该电路的开关要求在LC谐振的1/4周期内完成开关的导通和断开，而且要求非常精确，在实际能量回收装置中，比较难实现。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，但是OSECE采集电路中需要一个三个线圈的耦合反激式变压器，导致整体电路体积庞大，而且对反激式变压器的品质因数有较高要求。DSSH 电路在很大程度上提高了电路回收功率，但是该电路采用了两个电感和两套开关电路及检测电路，增加了电路的体积，而且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向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。

发明内容

本实用新型之目的：提出一种自供电的压电振动能量同步提取电路，该电路采用正负半周自动检测互锁技术和正负极值检测控制技术实现压电能量电荷的高效提取。

为了实现本实用新型之目的，拟采用以下技术：