[发明专利]一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器

说明书

技术领域

本发明主要涉及机械能转换为电能的领域，特指一种开路式优化翻转时间的压电能量采 集整流器。

背景技术

基于压电式悬梁臂结构的能量采集器因其具有低成本、高功率密度、高扩展性等优势， 使它非常适用于小型化振动能量采集系统。但小型化能量采集系统可获得的功率非常低，一 般低于1毫瓦，并且在能量传输过程造成的损耗进一步降低了到负载的净能量。因此，一个 低功耗的电路设计必不可少。另外，由于从压电传导器输出的电压为交流电，而负载需要一 个稳定的直流电压，因此还需要一个交流转直流的整流器。

图1表示的是一个典型的使用全桥整流器的压电能量采集电路，该电路中被动二极管固 有的前向电压降约为0.7伏，在传输压电端能量到负载时会引入过多的导通损耗，而且为了 传输能量到负载，压电端电压差必须大于两个二极管前向电压降的和，即约1.4伏，从而限 制了该电路在小型压电能量采集的应用。

另一方面，如图1所示，因为压电设备输出电抗呈现大的容性，在每半个振动周期压电 端电压翻转时，都会有电荷浪费在对压电传导器电容的充放点过程中。为了避免电荷浪费， 更多地提取来自压电端的能量，人们提出了各种各样的非线性方法。图2表示的是一种典型 的串联电感同步开关能量采集电路，也称为串联电感开关能量采集技术。该技术使用一个串 联的电感和开关与压电传导器串联作为全桥整流器的输入。在振动周期的大部分时间内开关 截止，压电电荷聚集在电容上形成缓缓上升的电压，一旦达到电压峰值，即压电端输出电流 过零点时，开关短暂导通，储存在电容上的一部分能量被传递到负载端，另一部分能量返回 压电端，并在压电电容上形成翻转的电压。一旦剩下的能量全部返回电容，开关再次截止， 传导器的反向电流在下半个振动周期对电容反向充电，并重复上述过程。

尽管图2所示的电路解决了电荷浪费的问题，但其使用了被动二极管，增加了导通损耗， 限制了压电端输出电压幅度，且开关的导通时间受电感、压电端电容、甚至负载的影响，导 通时长的精确控制需要额外的人为调节，不合适的开关导通时长将大大降低整流器的提取效 率。考虑到这些问题，该电路不适用于小型的压电能量采集。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器。 解决方案为：一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器。该整流器包括两个带使能端 的有源二极管，其被连接以检测流经的电流从正到负的过零点，一旦电流过零点，关断该二 极管，使能与之相对的有源二极管，改变一位开关状态信号，该信号作为有源二极管的输出 被送到数字电路控制模块的输入端和相对的二极管的使能端；以及一个峰值检测及数字电路 控制模块，其被连接以接收所述有源二极管的开关状态信号，并检测出现在有源二极管阴极 端的电压峰值，或压电器件两端的电压峰值，输出优化脉宽的脉冲信号被送到开关的输入控 制端；以及两个开关，其被连接到数字电路控制模块的输出端以接收所述峰值检测及数字电 路控制模块的脉冲信号，完成导通/截止操作；以及一个电感，其与压电器件串联以在压电器 件输出电流过零点时与压电端电容、负载一起形成一个谐振腔，向负载传输能量的同时帮助 翻转压电器件的电容电压，该电感一端与压电设备一端相连，电感的另一端与所述的一个有 源二极管的阴极和一个开关的一端相连，压电设备的另一端分别与所述的另一个有源二极管 的阴极和另一个开关的一端相连，两个开关的另一端相连接到负载，两个有源二级管的阳极 相连接到地。

本发明提出的优化翻转时间的压电能量采集整流器，优点在于：

1.将串联电感同步开关能量采集技术融入全桥整流器结构中，相对于传统串联电感同步 开关能量采集技术，减少了一个开关元件，减低了硬件成本。

2.使用整流器中有源二极管和开关而不是被动二极管大大地降低了前向电压降。

3.能够自动检测电感电流过零点，实现零电流开关，并且同步开关具有一个优化的开关 导通时长。

4.有一个简单低功耗的数字电路控制模块，其降低了使用电感同步开关能量采集技术所 带来的额外的功耗，从而增加了负载端或者储能端的净能量。

附图说明

图1是典型的使用全桥整流器的压电能量采集电路及相应结点波形示意图；

图2是典型的使用串联电感同步开关能量采集技术的压电能量采集电路和相应结点波形 示意图；