[实用新型]一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路

说明书

本实用新型公开了一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，包括可拓展压电换能器，数量与压电换能器结构相对应的可拓展峰值检测开关，LC谐振电感，整流电路，整流电容，DC‑DC转换芯片，储能电容。其最大功率点跟踪（MPPT）模块由峰值电压跟踪电路和滞回电压比较器构成。可拓展压电换能器，可拓展峰值检测开关，LC谐振电感，整流电路，整流电容构成可拓展串联同步开关电感能量采集接口电路。最大功率点跟踪（MPPT）模块在可拓展串联同步开关电感能量采集接口电路正常工作期间检测压电换能器的峰值开路电压及整流电容两端的电压，并通过控制DC‑DC转换芯片将整流电容电压保持在最大输出功率附近。电路可以完全自供电，极大的提高了能量采集的效率。

技术领域

本实用新型属于压电振动能量采集技术领域，具体涉及一种基于最大功率点跟踪（MPPT）的压电式可拓展能量采集接口电路。

背景技术

当今世界面临着能源短缺及环境污染等严重问题，开发和利用新能源来代替传统的能源是解决这些问题的有效方法，自然界存在太阳能，振动能，热能及无线电波能及多种能量。采集和存储自然界中的能量并加以利用具有广阔的工程应用前景。

在多种环境能量形式中，振动能在自然界中是普遍存在的，如人体运动、交通工具运行、工业机器运作及大自然中的空气和水等带来的振动。振动能量的采集不受太阳能、电磁能等形式的能量使用时间和采集环境等因素的限制，同时具有较高的能量密度，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。

振动能量采集的形式主要有静电式、电磁式及压电式。其中压电式能量采集系统由于结构简单、无电磁干扰、无污染、易于加工及实现微型化、集成化等诸多有点而使用广泛。随着集成电路及嵌入式技术的发展，压电式能量采集系统取代传统的电池为无线传感网络及低功耗嵌入式系统供电成为了现实。典型的压电式振动能量俘获系统由压电换能器和压电式能量采集接口电路。典型的压电换能器采用悬臂梁结构，主要由弹性基体和压电材料组成，将压电材料固定在弹性基体上，弹性基体一端固定，一端放置质量块来降低压电环能器的共振频率。在外界振动源的激励下弹性悬臂梁基体以固有频率振动，带动压电材料的振动从而将振动能转化为电能。压电式能量采集接口电路将压电换能器产生的交流电转化为直流电后存储与储能设备中。标准的桥式整流接口电路由四个肖特基二极管和整流电容构成，虽然可以方便地实现AC-DC转换，但是整流电容两端的电压会钳制输出电压的大小，且只有负载阻抗与压电换能器输出阻抗相匹配时，负载上才能获得最大的电能，因此标准的桥式整流接口电路的能量采集效率较低。为了提高能量采集效率人们提出了串联同步开关电感能量采集接口电路，在压电换能器和整流桥之间放置了一个开关和电感，且与压电换能器串行连接。开关在压电换能器振动位移达到极值时闭合，开关闭合以后压电换能器的寄生电容和电感元件组成LC振荡回路，经过1/2个LC振荡周期压电换能器两端的电压产生翻转，开关断开。在开关闭合期间，压电元件上存储的能量经整流电路转移到整流电容上，开关断开后，整流电容储能为负载供电。串联同步开关电感能量采集接口电路使得压电输出电压与输出电流同相位，使更多的机械能转化为电能，但是此电路依然存在阻抗匹配的问题，同时需要提出精准的开关控制策略。

发明内容

本实用新型的目的：一种基于MPPT的压电式可拓展能量采集接口电路，提出了一种可拓展串联同步开关电感能量采集接口电路，用于压电式振动能量的采集，同时提出了一种最大功率跟踪技术，调整整流电容两端的电压和压电换能器峰值开路电压的比值，解决串联同步开关电感能量采集接口电路阻抗匹配的问题。所提出的最大功率跟踪技术在串联同步开关电感能量采集接口电路正常工作期间完成最大功率跟踪，无需断开压电换能器与负载电路测量其开路电压。同时提出了一种无源峰值检测技术以实现串联同步开关电感能量采集接口电路的开关控制策略。