[實用新型]一種自供電的壓電振動能量同步提取電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420201613.7
• 申請日: 2014-04-24
• 公開（公告）號: CN203933163U
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發(fā)明（設計）人: 施閣;夏銀水;葉益迭;錢利波;屈鳳霞
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: H02J15/00
• 分類號: H02J15/00
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理事務所(普通合伙) 33226
• 代理人: 蔡菡華

技術領域

本實用新型涉及振動能量收集領域，尤其涉及一種自供電的壓電振動能量同步提取電路。

背景技術

隨著集成電路技術、精密加工技術、計算機技術、無線網絡通訊技術的不斷發(fā)展，以無線傳感器網絡(WSNs)為主要應用形式的各種微型電子設備、微機電系統（MEMS）不斷涌現。隨著 WSNs在醫(yī)療保健（穿戴式、嵌入式或植入式的醫(yī)療監(jiān)測儀器等）、環(huán)境監(jiān)測系統（森林火災、洪水監(jiān)測、氣候變化、海洋監(jiān)測等）、家用安全系統等各個領域的深入發(fā)展，對作為節(jié)點的各種微型電子設備的性能提出了更高的要求，其中備受關注的是節(jié)點壽命問題。在某些應用中，如用于環(huán)境災害監(jiān)測而設置在氣候惡劣地區(qū)或森林海洋等難進入區(qū)域的傳感節(jié)點、醫(yī)療保健用途的植入式無線傳感節(jié)點等，一旦電源耗盡或受到損壞，不僅節(jié)點信息采集中斷，還會影響整個網絡信息處理的準確性。

壓電式振動能量采集器利用壓電材料的正壓電效應，將環(huán)境中的振動能轉換為電能。目前，低功耗的電子器件與無線電射頻技術的廣泛應用為壓電式振動能量的利用提供了更大的發(fā)展平臺。

由于振動使壓電元件輸出的電壓是交變的，而常見的微型電子設備及無線傳感網絡節(jié)點的供電是需要穩(wěn)定的直流電壓，所以，在壓電元件與用電設備之間需要設計接口電路，目前有幾種常見接口電路，其中最經典的是簡單的二極管全橋整流和一個濾波電容的整流濾波電路，但是，由于壓電元件的內部等效電路中電容Cp的存在，壓電元件首先要對Cp充電，當Cp的電壓超過整流橋后端的濾波電容的電壓再加上兩個二極管的壓降后，才能對后端的電容充電，導致這種電路不僅回收效率低，而且回收的功率受后端電容電壓和負載的大小影響。因此，研究人員提出了多種非線性能量提取電路，主要包括并聯Lefeuvre 和Guyomar 等提出的同步開關電感電路（P-SSHI）、Taylor 等提出的串聯同步開關電感電路（S-SSHI）、Lefeuvre 等提出的同步電荷提取電路（SECE），及在這三種電路基礎上派生出來的Lallart 等提出的雙同步開關電路（DSSH）、南京航空航天大學裘進浩等提出的優(yōu)化型同步電荷提取電路（OSECE）和增強型雙同步開關電感回收電路（ESSH）等。

P-SSHI電路當結構振動到極值時，快速閉合與壓電元件電容Cp并聯的電感，同步開關電感的主要作用是通過LC諧振使壓電元件電壓快速翻轉，能有效增大壓電片的開路電壓，在一個周期內增加能量傳輸的時間。而在S-SSHI電路中，同步開關電感的主要作用通過兩個電容和一個電感的LC諧振提取壓電元件電荷。然而這兩種電路回收功率仍然受后端電容電壓及負載阻抗的大小影響較大。

SECE、OSECE、DSSH、ESSH 電路解決了這一問題，其回收功率與后端電容及負載大小無關。然而，這些電路在理論上非常具有優(yōu)勢，實際實現起來卻過于復雜。主要是由于同步電荷提取SECE 技術中涉及到電子開關的閉合時間控制，該電路的開關要求在LC諧振的1/4周期內完成開關的導通和斷開，而且要求非常精確，在實際能量回收裝置中，比較難實現。OSECE 電路在SECE電路的基礎上，優(yōu)化了其開關控制策略，使得電路中模擬開關的控制變得簡單易行，并且給出了低功耗的自供電方案，但是OSECE采集電路中需要一個三個線圈的耦合反激式變壓器，導致整體電路體積龐大，而且對反激式變壓器的品質因數有較高要求。DSSH 電路在很大程度上提高了電路回收功率，但是該電路采用了兩個電感和兩套開關電路及檢測電路，增加了電路的體積，而且該電路復雜的開關控制系統使得其只在外界提供電源的DSP控制系統中才能實現。ESSH 電路的提出解決了DSSH 電路實現自供電這一關鍵技術難題，使得該能量回收電路向實際應用邁出了關鍵一步。然而ESSH 電路復雜的供電系統和能源管理系統使得該電路最終輸出電壓只能保持在一個較低的范圍之內。

發(fā)明內容

本實用新型之目的：提出一種自供電的壓電振動能量同步提取電路，該電路采用正負半周自動檢測互鎖技術和正負極值檢測控制技術實現壓電能量電荷的高效提取。

為了實現本實用新型之目的，擬采用以下技術：