[发明专利]一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路

说明书

本发明公开了一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，包括桥式整流电路、峰值检测电路、低时延分压电路、自供电开关电路和电荷提取电路共五个组成单元，且它们依次电连接。桥式整流电路的功能是将压电发电结构产生的交流电转化为直流电，峰值检测电路的功能是用于检测压电发电结构振动位移的最大幅值，低时延分压电路的功能是降低自供电开关闭合的延迟时间，自供电开关电路的功能是在无需外部控制信号的情况下实现闭合或断开动作，电荷提取电路的功能是拾取压电发电结构产生的电能为负载供电。本发明的电路结构简单；采用自供电开关电路，降低开关功耗；降低了自供电开关电路的时延，提高了电路转换效率。

技术领域

本发明涉及振动压电发电领域，特别提供一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路。

背景技术

在诸多环境能量形式中，振动可以说在自然界中普遍存在，比如汽车通过地面和桥梁时产生的振动、波浪运动、工业设备工作时的机器振动等等，且不像太阳能、电磁能那样受到使用时间、服役环境等很多因素的限制。因此，振动能量收集是目前研究最为广泛的一种自供电技术。与电磁式、静电式等其它振动能转换机理相比，压电式转换机理因具有较高的力-电耦合效应和能量密度、无电磁干扰以及易于微小化集成等突出优点，因此振动压电发电非常适合于为低功耗电子设备提供电能。

压电发电输出的是大电压、高阻抗、小电流的交流电，不能直接为低功耗电子设备负载供电，必须将交流电转化为直流电(AC-DC转换)，这就需要在压电发电装置和电负载之间放置接口电路；特别地，在AC-DC转换过程中，其转换效率与接口电路密切相关。传统桥式整流接口电路虽然可以方便地实现AC-DC转换，但缺点是它要求负载阻抗与压电发电装置输出阻抗匹配，以保证负载上获取最大的能量。而压电发电的输出阻抗很高，难以实现阻抗匹配。针对传统桥式整流接口电路电能转换效率低下的问题，人们提出了基于同步开关的非线性整流接口电路，即SSHI电路，它的基本思想是在传统桥式整流接口电路中加入一个开关和电感，当压电振子到达最大振幅时压电材料内部累积电荷最多，此时开关瞬间闭合使电感与压电材料的寄生电容形成L-C振荡回路将累积电荷提取出来，从而大大提高了AC-DC的转换效率。根据开关的位置不同，SSHI电路又分为两大类：一类是开关放置在整流桥后面，称之为同步电荷提取电路；另一类是开关放置在整流桥前面，称之为同步开关电路，如CN201520926035.8中公开了一种宽频带压电发电用非线性接口电路。与同步开关电路相比，同步电荷提取电路最大的优点是其AC-DC转换效率与负载无关，有效解决了传统桥式整流接口电路面临的阻抗匹配问题，因而得到了广泛关注。

对压电发电同步电荷提取电路来说，最关键的是如何实现低功耗开关动作。迄今为止，人们提出了几种开关策略，如利用外部信号驱动开关、机械开关等。但是，外部信号驱动方式需要消耗电能，有时甚至超过了压电发电结构收集的电能，实用性上受到很大限制；而机械开关会导致压电发电结构更加复杂，不利于压电结构的微型化，而且还会限制压电发电结构自身的振动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，本发明主要解决了现有同步电荷提取电路开关的低功耗自供电及低开关时延的技术问题。

本发明提供一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，包括：桥式整流电路，外接压电发电结构的输出端，用于将压电发电结构输出的交流电转化为直流电；峰值检测电路，用于检测压电发电结构振动位移的最大幅值；低时延分压电路，用于降低自供电开关闭合的延迟时间；自供电开关电路，用于在无需外部控制信号的情况下实现开关动作；电荷提取电路，用于拾取存储在电感L上的压电发电结构产生的电能为负载供电；上述五个组成电路串联电连接。

进一步地，桥式整流电路包括四个彼此桥式电连接的整流二极管，整流二极管为导通压降小于0.7伏的肖特基二极管。实际应用时，桥式整流电路的1—2输入端口外接压电发电结构的输出端，其输入电压V_in等于压电发电结构两端的电压。