[发明专利]一种自供电式电感同步开关压电能量采集电路

权利要求书

1.一种自供电式电感同步开关压电能量采集电路，包括端电压峰值检测电路、同步开关、全桥整流模块和充电管理模块，所述端电压峰值检测电路和同步开关由电容C1、三极管T1、三极管T2、三极管T3和三极管T4组成，全桥整流模块由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成，充电管理模块由稳压管D5、三极管T5、三极管T6、三极管T7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和LT3009芯片构成，电容C1的一端连接三极管T1发射极和三极管T3发射极，三极管T1集电极与三极管T2基极相连，三极管T3集电极与三极管T4基极相连，三极管T2发射极和三极管T4发射极连接电感L的一端，三极管T1基极与三极管T3基极、三极管T2集电极和三极管T4集电极相连并连接至压电元件的-端和全桥整流模块的一个输入端；电容C1的另一端和电感L另的一端相连并连接至压电元件的另一端和全桥整流模块的另一个输入端，其特征在于，所述稳压管D5阴极与三极管T5集电极和三极管T7发射极相连并连接至全桥整流模块的正输出端和电容Cs的一端，稳压管D5阳极与三极管T5基极和电阻R1的一端相连，三极管T5发射极连接电阻R2和电阻R3的一端，电阻R3的另一端和电阻R4串联后与电阻R2并联，三极管T6基极连接电阻R3和电阻R4的连接点，三极管T6发射极连接电阻R5的一端，三极管T6集电极连接三极管T7基极，电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5的另一端均与LT3009芯片的GND引脚、电容Cs的另一端、全桥整流模块的另一个输出端相连，三极管T7集电极连接LT3009芯片输入引脚IN和引脚，LT3009芯片中引脚和GND引脚之间连接电容C2；

电路从压电材料提取电能主要分为以下4个工作阶段：

(1)相移阶段：t₁时刻，电流i_P过零点，压电元件达到负向位移峰值，压电俘能器两端电压|V_P|开始降低，即-(V_R+2V_D-2V_BE)V_P-(V_R+2V_D)，整流桥关断，其中V_BE为开关管压降，V_D为二极管压降；0＜V₁＜V_BE，开关管T1～T4均处于关断状态，t₁～t₂时段，压电俘能器处于开路状态，

(2)电压翻转阶段：t₂时刻，V₁＝V_BE，开关管T3导通，T4随之导通，压电片等效电容Cp、等效电阻Rp与C1、L发生谐振，压电俘能器两端电压V_P从-(V_R+2V_D-2V_BE)翻转至V_F，t₂～t₃时段，电感L有电流i_L，

(3)电容充电阶段：t₃时刻，电感电流i_L＝0，V_BEV₁0，开关管T1～T4均关断，V_R+2V_DV_PV_F，整流桥关断，因此，在t₃～t₄时段，压电俘能器向内部电容Cp充电，

(4)能量提取阶段：t₄时刻后，压电俘能器电压V_P＝V_F+2V_D，V_BEV₁0，则开关管T1～T4均关断，而整流桥的二极管D1、D4导通，将能量传输至直流侧，提取能量至电容Cs中，直至压电元件达到正向位移峰值时，电流再一次过零点，能量提取阶段结束，

其中，V₁是三极管T1的基-射级电压，V_R是负载两端的电压,

自供电压电能量提取电路从压电片上提取电能后，经过全桥电路整流，暂存在电容Cs中，在充电过程中，稳压管D5负责钳位电容Cs两端电压，当Cs两端电压即将高于D5稳定电压时，三极管T5、T6依次导通，三极管T7随之导通，Cs向LT3009芯片放电，LT3009中OUT引脚稳定输出3.3v电压，直接给负载供电，

以电流源幅值200uA，频率50Hz，工作20个周期，即0.4s后，停止工作为例：电流源工作至t₁时刻，电容Cs两端电压达到7.2V，三极管T7导通，电荷转移，开始给C2充电；t₂时刻电容C2两端电压达到LT3009输入电压的最小值，LT3009开始工作，负载两端电压开始上升，t₃时刻，LT3009输出端的电容CL两端电压达到稳定的3.3V，当电容C2两端电压达到7.2V时，Cs和C2两端电压同时上升，由激励侧决定，

在第20个周期，即0.4s时，电流源停止输出，

t₄时刻，电容Cs两端电压小于6.2V，三极管T7关断，Cs两端电压基本保持不变，C2两端无电荷流入，电压降低；当C2两端电压低于1.6V时，LT3009停止工作，即充电管理模块抑制电容Cs过放电，同时提高电路重新发电的效率。