[發(fā)明專利]一種基于電感和電容多步翻轉(zhuǎn)的壓電能量收集接口電路

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111097961.5
• 申請(qǐng)日: 2021-09-18
• 公開（公告）號(hào): CN113726220A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭建平;王儲(chǔ)輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18;H02J7/32;H02J7/34
• 代理公司: 深圳市創(chuàng)富知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44367
• 代理人: 高冰

本發(fā)明公開了一種基于電感和電容多步翻轉(zhuǎn)的壓電能量收集接口電路，具有為所述壓電能量收集接口電路供電的電流源偏置電路，包括源整流模塊、自適應(yīng)脈沖產(chǎn)生模塊、開關(guān)信號(hào)控制模塊、壓電傳感器與同步開關(guān)翻轉(zhuǎn)陣列；電感和電容同步翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了壓電傳感器內(nèi)部寄生電容上電荷的高效轉(zhuǎn)移，而多步翻轉(zhuǎn)的效果能有效降低在翻轉(zhuǎn)過程中的電感電流從而降低在寄生電阻上的能量損耗，大大提高了能量收集效率。并且，本發(fā)明可以適用于一定范圍的壓電傳感器的寄生電容值和電感值，可以適用于市面上大多數(shù)壓電傳感器，具有較大的適用性，并且該電路具有自供電和冷啟動(dòng)的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路的技術(shù)領(lǐng)域，其中涉及一種基于電感和電容多步翻轉(zhuǎn)的壓電能量收集接口電路。

背景技術(shù)

壓電能量收集系統(tǒng)是機(jī)械學(xué)、電力學(xué)、材料學(xué)、集成電路設(shè)計(jì)等諸多學(xué)科的綜合，其基本原理是通過壓電材料的壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并加以儲(chǔ)存，經(jīng)電源管理電路等處理后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的供電電壓給一些低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)供電。接口電路是介于壓電傳感器和電源管理電路之間的橋梁，它可以將壓電傳感器的交流輸出通過整流電路轉(zhuǎn)化為直流輸出，從而給儲(chǔ)能元件存儲(chǔ)電能，在通過電源管理電路對(duì)輸出直流電壓進(jìn)一步地調(diào)制穩(wěn)壓后再給無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。

全橋整流電路是最常用的接口電路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠性高，但其整流效率低限制了其從壓電傳感器中能量提取。如何最大效率地提取壓電傳感器的交流電能并將能量傳遞到儲(chǔ)能元件上，是壓電能量收集接口電路所亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在于提供一種基于電感和電容多步翻轉(zhuǎn)的壓電能量收集接口電路，通過電感和電容同步翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了壓電傳感器內(nèi)部寄生電容上電荷的高效轉(zhuǎn)移，而多步翻轉(zhuǎn)的效果能有效降低在翻轉(zhuǎn)過程中的電感電流從而降低在寄生電阻上的能量損耗，大大提高了能量收集效率。并且，本發(fā)明可以適用于一定范圍的壓電傳感器的寄生電容值和電感值，可以適用于市面上大多數(shù)壓電傳感器，具有較大的適用性，并且該電路具有自供電和冷啟動(dòng)的特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于電感和電容多步翻轉(zhuǎn)的壓電能量收集接口電路，具有為所述壓電能量收集接口電路供電的電流源偏置電路，包括源整流模塊、自適應(yīng)脈沖產(chǎn)生模塊、開關(guān)信號(hào)控制模塊、壓電傳感器與同步開關(guān)翻轉(zhuǎn)陣列；所述壓電傳感器具有并聯(lián)設(shè)置的寄生電阻和寄生電容；所述有源整流模塊的輸入端接在所述壓電傳感器的兩端；所述自適應(yīng)脈沖產(chǎn)生模塊用于監(jiān)測(cè)所述壓電傳感器的電流的過零點(diǎn)信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)后通過其延時(shí)單元產(chǎn)生一系列的脈沖信號(hào)時(shí)序，所述脈沖信號(hào)再由所述開關(guān)信號(hào)控制模塊經(jīng)過邏輯運(yùn)算得到各個(gè)開關(guān)的控制信號(hào)，所述同步開關(guān)翻轉(zhuǎn)陣列由所述開關(guān)信號(hào)控制模塊產(chǎn)生的各個(gè)開關(guān)控制信號(hào)進(jìn)行開啟和關(guān)閉的控制，進(jìn)行電感和電容的同步翻轉(zhuǎn)。

需要說明的是，所述有源整流模塊由四個(gè)交叉耦合的MOS管、一個(gè)肖特基二極管和一個(gè)共柵比較器構(gòu)成，所述肖特基二極管兩端并聯(lián)了一個(gè)PMOS管，所述PMOS管的襯底接所述肖特基二極管兩端的最高電位，所述共柵比較器的輸入端接在所述肖特基二極管的兩端，其輸出端接在所述PMOS管的柵極；當(dāng)電流源過零點(diǎn)時(shí)，所述自適應(yīng)脈沖產(chǎn)生模塊接收所述共柵比較器輸出的高電平信號(hào)從而關(guān)閉所述PMOS管而進(jìn)行同步翻轉(zhuǎn)的操作。

需要說明的是，所述自適應(yīng)脈沖產(chǎn)生模塊中收比較器，當(dāng)接收所述高電平輸出信號(hào)后，通過所述比較器判斷電流源兩端的電位的正負(fù)，經(jīng)過D觸發(fā)器和與非門的邏輯門進(jìn)行運(yùn)算得到信號(hào)，再經(jīng)過多組RC延遲網(wǎng)絡(luò)依次產(chǎn)生多組脈沖信號(hào)；所述脈沖信號(hào)將作為所述開關(guān)控制信號(hào)模塊的輸入信號(hào)。

需要說明的是，所述輸入信號(hào)將由所述開關(guān)信號(hào)控制模塊經(jīng)或門和與門進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到所有開關(guān)開啟和關(guān)閉的時(shí)序信號(hào)。