[實用新型]一種基于MPPT的壓電式可拓展能量采集接口電路

有效

• 申請號: 202022725485.4
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN214045472U
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 常健;曾文濤;童迪科;朋焱盛;陳君富;施閣;黃文杰
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02J7/32;G05F1/67
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實用新型公開了一種基于MPPT的壓電式可拓展能量采集接口電路，包括可拓展壓電換能器，數量與壓電換能器結構相對應的可拓展峰值檢測開關，LC諧振電感，整流電路，整流電容，DC?DC轉換芯片，儲能電容。其最大功率點跟蹤（MPPT）模塊由峰值電壓跟蹤電路和滯回電壓比較器構成。可拓展壓電換能器，可拓展峰值檢測開關，LC諧振電感，整流電路，整流電容構成可拓展串聯同步開關電感能量采集接口電路。最大功率點跟蹤（MPPT）模塊在可拓展串聯同步開關電感能量采集接口電路正常工作期間檢測壓電換能器的峰值開路電壓及整流電容兩端的電壓，并通過控制DC?DC轉換芯片將整流電容電壓保持在最大輸出功率附近。電路可以完全自供電，極大的提高了能量采集的效率。

技術領域

本實用新型屬于壓電振動能量采集技術領域，具體涉及一種基于最大功率點跟蹤（MPPT）的壓電式可拓展能量采集接口電路。

背景技術

當今世界面臨著能源短缺及環境污染等嚴重問題，開發和利用新能源來代替傳統的能源是解決這些問題的有效方法，自然界存在太陽能，振動能，熱能及無線電波能及多種能量。采集和存儲自然界中的能量并加以利用具有廣闊的工程應用前景。

在多種環境能量形式中，振動能在自然界中是普遍存在的，如人體運動、交通工具運行、工業機器運作及大自然中的空氣和水等帶來的振動。振動能量的采集不受太陽能、電磁能等形式的能量使用時間和采集環境等因素的限制，同時具有較高的能量密度，是目前研究最為廣泛的一種低功耗電子設備自主供電技術。

振動能量采集的形式主要有靜電式、電磁式及壓電式。其中壓電式能量采集系統由于結構簡單、無電磁干擾、無污染、易于加工及實現微型化、集成化等諸多有點而使用廣泛。隨著集成電路及嵌入式技術的發展，壓電式能量采集系統取代傳統的電池為無線傳感網絡及低功耗嵌入式系統供電成為了現實。典型的壓電式振動能量俘獲系統由壓電換能器和壓電式能量采集接口電路。典型的壓電換能器采用懸臂梁結構，主要由彈性基體和壓電材料組成，將壓電材料固定在彈性基體上，彈性基體一端固定，一端放置質量塊來降低壓電環能器的共振頻率。在外界振動源的激勵下彈性懸臂梁基體以固有頻率振動，帶動壓電材料的振動從而將振動能轉化為電能。壓電式能量采集接口電路將壓電換能器產生的交流電轉化為直流電后存儲與儲能設備中。標準的橋式整流接口電路由四個肖特基二極管和整流電容構成，雖然可以方便地實現AC-DC轉換，但是整流電容兩端的電壓會鉗制輸出電壓的大小，且只有負載阻抗與壓電換能器輸出阻抗相匹配時，負載上才能獲得最大的電能，因此標準的橋式整流接口電路的能量采集效率較低。為了提高能量采集效率人們提出了串聯同步開關電感能量采集接口電路，在壓電換能器和整流橋之間放置了一個開關和電感，且與壓電換能器串行連接。開關在壓電換能器振動位移達到極值時閉合，開關閉合以后壓電換能器的寄生電容和電感元件組成LC振蕩回路，經過1/2個LC振蕩周期壓電換能器兩端的電壓產生翻轉，開關斷開。在開關閉合期間，壓電元件上存儲的能量經整流電路轉移到整流電容上，開關斷開后，整流電容儲能為負載供電。串聯同步開關電感能量采集接口電路使得壓電輸出電壓與輸出電流同相位，使更多的機械能轉化為電能，但是此電路依然存在阻抗匹配的問題，同時需要提出精準的開關控制策略。

發明內容

本實用新型的目的：一種基于MPPT的壓電式可拓展能量采集接口電路，提出了一種可拓展串聯同步開關電感能量采集接口電路，用于壓電式振動能量的采集，同時提出了一種最大功率跟蹤技術，調整整流電容兩端的電壓和壓電換能器峰值開路電壓的比值，解決串聯同步開關電感能量采集接口電路阻抗匹配的問題。所提出的最大功率跟蹤技術在串聯同步開關電感能量采集接口電路正常工作期間完成最大功率跟蹤，無需斷開壓電換能器與負載電路測量其開路電壓。同時提出了一種無源峰值檢測技術以實現串聯同步開關電感能量采集接口電路的開關控制策略。