[发明专利]一种压电振动能量提取电路

说明书

本发明提供的压电振动能量提取电路在电路控制模块中利用电容C_HP和电阻R_HP组成的无源高通滤波器捕获或门产生的下降沿，成功地获得压电能量收集器电流的过零点，控制开关模块的闭合，缩短压电能量收集器内夹电容的放电时间，增加压电能量收集器向储能模块的充电时间，从而能够收集更多的压电能量；并且通过调节电容C_HP的容值和电阻R_HP的阻值来控制开关模块的闭合时间，适应不同压电能量收集器的工作特性，并且，该电路不含电感元件，适用于CMOS集成电路，且辅助电路器件较少，功耗较低。

技术领域

本发明涉及压电能量提取领域，更具体地，涉及一种高效的压电振动能量提取电路。

背景技术

近年来，无线传感器与无线通信网络节点的发展获得了极大的关注，并已成为一大研究热点。无线传感器与无线通信网络节点可广泛适用于建筑安全性检测、环境控制勘察、智能家居、动物定位跟踪等场景。但是，随着节点设备的数量快速增长以及尺寸逐渐变小和节点布置的位置分布愈加分散，节点电源采用化学电池这一常规的技术方案逐渐显示其局限性和不足之处。由于化学电池的使用寿命有限，以及需要反复进行充电，因此对电池进行再次充电或者更换电池，俨然成为一大难题。

并且随着低功率化电子设计与低功率化电子制造的共同进步，无线传感器与通信网络节点的功耗进一步降低，可低至10到100μW。因此，可以利用压电材料的压电效应将外界无处不在的振动能转换成电能，为节点工作提供足够的电能，这种技术方案，称之为压电能量收集技术，使用的元件是压电能量收集器(piezoelectric energy harvester)。

由于压电能量收集器输出的是交变电流，且其输出阻抗呈容性。为了对压电能量进行存储以及充分利用，电路需要一个整流接口电路，将输出的交流电转换成可以适合节点使用的直流电。经典的整流接口电路是半波或者全波整流桥后接储能电容，虽然这种方案结构简单，可以输出基本稳定的直流电流，但是能量提取效率低下。为了克服这种不足，Guyomar、Lefeuvre、Richard团队提出了一种称为SSHI(Synchronized Switch Harvestingwith Inductor)的高效率非线性能量提取电路，运用电感和同步开关的辅助，加以适当的控制策略，减少压电能量收集器的内夹电容的充放电时间和增加对储能电容的充电时间，从而提高能量提取效率。

在压电能量收集领域，非线性能量提取电路SSHI现已成为了一种主流技术，且在理论上能够使得能量收集功率获得数倍的提高，如SECE电路理论上获得4倍提高，S-SSHI获得4倍提高，PSSHI电路能够获得8倍以上的提高。然而，这种电路都存在着一个不可避免的弊端，由于非线性能量提取电路SSHI都需要一个感抗值较大的电感，而这种电感尺寸都较大，导致这类电路的自供电式设计无法适用于CMOS集成电路。

为了解决电感尺寸较大无法适用于CMOS集成电路的问题，研究者提出了使用感性阻抗来模拟电感。但是，这种方法对器件参数要求较高，很难调节，而且器件的尺寸仍然较大，最重要的是，电路实现上仍需要外接电源，无法实现真正的独立自供电。

在2010年，Ramadass为了在CMOS集成电路上实现压电能量的高效收集，在电路设计中放弃使用电感，提出了新型的同步开关接口电路方案，该方案中开关的闭合时间需要根据不同的压电片参数来进行人工调整，该电路无法实现自动调节控制。为了解决开关闭合时间无法自调整的问题，Shaohua Lu提出了一种新的控制电路，但是，该方案的控制电路需要较多器件，导致功耗较大。

发明内容

本发明为解决以上现有技术提供的提取电路所存在的提取效率不高、其内包括的开关电路的闭合时间不能实现自调整的技术缺陷，提供了一种高效的压电振动能量提取电路。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种压电振动能量提取电路，包括压电能量收集器、全波整流桥、储能模块、开关模块和电路控制模块；