[發明專利]一種高效自供電的壓電同步電荷提取與電壓翻轉電路

有效

• 申請號: 201810658022.5
• 申請日: 2018-06-19
• 公開（公告）號: CN108900113B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 董維杰;楊航;白鳳仙
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02H9/04
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種高效自供電的壓電同步電荷提取與電壓翻轉電路，該電路采用兩片同位配置的壓電片PZT1和PZT2，PZT1專用于俘能，PZT2用于檢測PZT1的位移，其特征在于，所述的壓電同步電荷提取與電壓翻轉電路包括：用于為開關控制電路(5)提供初始工作電壓的啟動電路(1)；用于在標準和SCEVI之間切換的模式切換控制電路(2)；用于電壓調整的DC-DC電路(3)；基于SCEVI的非線性能量提取電路(4)；用于為非線性能量提取電路(4)提供開關控制信號的開關控制電路(5)；過壓檢測與保護電路(6)；

初始階段，啟動電路(1)以標準能量收集方式收集PZT1的能量，為能量存儲元件充電；模式切換控制電路(2)監測能量存儲元件的電壓，當電壓達到高閾值后，模式切換控制電路(2)斷開SW1，能量存儲元件的電壓經DC-DC電路(3)后為開關控制電路(5)提供所需的直流電壓，開關控制電路(5)為非線性能量提取電路(4)提供開關控制信號，模式切換控制電路(2)將標準能量收集模式切換為非線性能量收集模式；當過壓檢測與保護電路(6)檢測到能量存儲元件的電壓高于設定值時，切斷模式切換控制電路(2)和DC-DC電路(3)，并將能量存儲元件的電壓穩定在設定值；啟動電路(1)先為開關控制電路(5)提供所需的初始啟動電壓，電路穩定工作后，再由非線性能量提取電路(4)為開關控制電路(5)和負載供電，實現自供電；

所述的啟動電路(1)，包括：整流橋，由Nmos管M1、M2組成的開關SW1，電阻R1與電容C6組成的標準能量收集電路，保證電壓單向傳輸的二極管D1；在電路啟動階段，PZT1的能量經整流橋、閉合的開關SW1后通過電阻R1為電容C6充電，C6上的電流通過二極管D1流向儲能電容C7；所述的M1的柵極與模式切換控制電路(2)中比較器U2輸出的開關控制信號VH相連；

所述的模式切換控制電路(2)，包括：基準電壓芯片U1，比較器U2，分壓電阻R6、R7，基準電壓芯片U1的分壓電阻R8、R9、R10，濾波電容C1，Nmos管M3與Pmos管M4構成的開關，用于改變閾值的Nmos管M5；所述的R6、R7對儲能電容C7上的電壓分壓并將R7上的電壓取至比較器U2的同相端，基準電壓源U1將儲能電容C7上的電壓轉換為穩定基準直流電壓后經R8、R9、R10分壓，并將R9、R10上的電壓取至比較器U2的反相端；比較器U2的輸出為VH，作為M3、M4組成的開關的控制信號；Pmos管M4的源極通過過壓保護電路(6)的常閉Pmos開關管M12與儲能電容C7的正極相連，Pmos管M4的漏極一路接DC-DC電路(3)的輸入端，一路接Nmos管M5的柵極，Nmos管M5的漏源極與電阻R10并聯；

所述的DC-DC電路(3)，包括：低壓差線性穩壓器芯片U3，穩壓充電泵負輸出轉換器U4，濾波電容C2、C3、C4；所述的U3、U4的輸入端均通過開關M12和開關M4與儲能電容C7相連；U3、U4的功能是產生用于為開關控制電路(5)以及負載供電的直流正、負電壓；

所述的非線性能量提取電路(4)，包括：整流橋，開關SW3、SW4和電感L3、L4構成的電壓翻轉電路，開關SW2、變壓器L1-L2構成的電荷提取電路；所述的電感L3兩端分別與PZT1正極、開關SW3相連，SW3由Nmos管M8、Pmos管M9、二極管D8、電阻R15、R16組成，SW3受開關控制電路(5)中與門A11的輸出CV+控制；當CV+為高電平時，開關管M8、M9導通，L3接在壓電元件兩端起正電壓翻轉的作用；所述的電感L4一端接PZT1負極，另一端與開關SW4相連，SW4由Nmos管M6、Pmos管M7、二極管D7、電阻R13、R14組成，受開關控制電路(5)中與門A13的輸出CV-控制；當CV-為高電平時，開關管M6、M7導通，L4接在壓電元件兩端起負電壓翻轉的作用；在整流橋后由變壓器的原邊電感L1與開關SW2相連構成同步電荷提取電路，SW2由Nmos管M10、Pmos管M11、柵源極間電阻R4、R5組成，受開關控制電路(5)中異或門A8的輸出CV控制，當CV為高電平時，開關管M10、M11導通，電感L1提取能量；同步電荷提取電路的L1通過變壓器耦合與電感L2相連，L2與D6、C7構成放電回路，能量最終存儲在儲能電容C7中；另外，由于D1正極與C6相連，負極與C7相連，該方式有效的實現了能量流動的單向性；

所述的開關控制電路(5)，包括：峰值檢測電路一路與雙邊沿控制電路連接，產生開關SW2的控制信號；峰值檢測電路另一路與方波延時電路連接，由正電壓翻轉控制電路產生SW3的控制信號，由負電壓翻轉控制電路產生SW4的控制信號；

所述的過壓保護電路(6)，包括：基準電壓芯片U1，分壓電阻R6、R7、R24、R25，比較器U7，Pmos管M12，放電電阻R26；通過電阻R24、R25對基準芯片U1輸出的電壓分壓設定閾值，R6、R7對儲能電容C7兩端的電壓分壓，并將R7的電壓引入比較器U7的同相輸入端，將R25的電壓引入比較器U7的反相輸入端，比較器U7的輸出與放電電阻R26以及Pmos開關管M12的柵極相連；當儲能電容上的電壓超過設定的上限電壓時，常閉開關管M12被斷開，儲能電容上的電壓通過比較器輸出電阻R27對地放電，保護電路。