[发明专利]一种压电振动能量采集的有源同步电荷提取电路

说明书

本发明公开了一种压电振动能量采集的有源同步电荷提取电路，包括压电换能器、整流桥电路、峰值检测电路、过零检测电路、非门、D触发器、传输门控制电路和同步电荷提取电路。压电换能器先经整流桥电路将交流信号转换为非负的输出信号，当峰值检测电路检测到压电换能器输出电压为最大峰值时，其峰值检测电路的输出信号使D触发器输出控制信号，D触发器的控制信号使得传输门控制电路和同步电荷提取电路与压电换能器、整流桥电路和电感构成导通关系，通过电感与电容的谐振将电荷提取到同步电荷提取电路中，并通过过零检测电路检测电荷是否提取完成并关闭通路，实现与振动频率同步的电荷能量提取。

技术领域

本发明属于压电振动能量采集技术领域，具体涉及一种压电振动能量采集的有源同步电荷提取电路。

背景技术

环境污染和能源短缺依旧是当今世界所面临的严峻问题。随着本世纪物联网技术的不断发展，无线传感网络在现实生活中得到了广泛的应用，但是目前大多数无线传感网络节点都是通过电池供电，而电池的能量有限，满足不了长期供电的需求，特殊场合更换不方便，为此研究人员开始从身边的环境获取能量并将其转换成电能来为无线传感网络节点提供电能。

而在诸多环境能量形式中，振动在自然界中是普遍存在的，而且不像太阳能、电磁能受到使用时间、服役环境等很多因素的限制。因此，振动能量俘获是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术。而压电式能量采集系统由于结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、容易加工等诸多优点而备受青睐。

对于压电式振动能量俘获系统来说，任一压电发电机输出的均是大电压、高阻抗、小电流的交流电，而且产生的电能较少，并不能直接为电子设备负载供电，需要将交流电转化为直流电，同时对其进行储存和释放控制，才能满足低功耗电子设备的功耗需求，这就需要在压电发电机和电负载之间放置振动能量捕获接口电路。而传统的桥式整流接口电路虽然可以很方便地实现AC-DC转换。但是传统的桥式整流电路只有负载阻抗与压电发电机输出阻抗相匹配时，负载上才能获得最大电能，但在实际中压电发电机的输出阻抗容易随着激励振动频率改变而动态变化，很难设计出合适的阻抗匹配电路，从而导致AC-DC转换效率不高。所以设计一种提高AC-DC转换效率的电路具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的：一种压电振动能量采集的有源同步电荷提取电路，实现压电振子在位移到最大处时，能够通过电感与电容的谐振，将压电换能器里存储的电荷转移到电感中，再通过电感将电能提供给负载，提高AC-DC的转换效率。

为实现本发明，采用的技术方案是：一种压电振动能量采集的有源同步电荷提取电路，包括压电换能器、整流桥电路、峰值检测电路、过零检测电路、反相器、D触发器、传输门控制电路和同步电荷提取电路，其特征在于在压电换能器处于振动情况下，压电换能器先经整流桥电路将交流信号转换为非负的输出信号，当峰值检测电路检测到压电换能器输出电压为最大峰值时，其峰值检测电路的输出信号使D触发器输出控制信号，D触发器的控制信号使得传输门控制电路和同步电荷提取电路与压电换能器、整流桥电路和电感构成导通关系，通过电感与电容的谐振将电荷提取到同步电荷提取电路中，并通过过零检测电路检测电荷是否提取完成并关闭通路，实现与振动频率同步的电荷能量提取。

本发明的有益效果：

1.在同步电荷提取电路与前端电路断开期间，同步电荷提取电路中的电容两端电压始终为0，不会对压电振子振动位移产生抑制作用，大大减少了回流的电能，提高振动能的俘获效率；2.负载与压电发电机在绝大部分时间是断开的，使得振动能的俘获效率独立于负载，从而有效解决了标准桥式线性整流接口电路面临的阻抗匹配问题；

3.本发明的峰值检测电路可实现无相位延迟追踪压电振子的最大电压。

附图说明