一种自供电的压电振动能量同步提取电路制造技术

本发明专利技术公开了一种自供电的压电振动能量同步提取电路，包括压电元件、正负半周检测互锁控制电路、正负极值检测电路、四个开关、电感、二极管、储能电容、负载。其中正负半周检测互锁控制电路控制两个开关分别在负半周和正半周导通，正负极值检测电路分别控制另外两个开关在正负极值到达后导通，使电感与压电元件内部电容产生LC谐振，将压电能量同步提取到电感，并通过二极管续流将能量转移到储能电容上。整体电路采用自供电设计，自动检测压电元件的状态并控制四个开关的通断来提取能量，与现有的压电能量提取电路相比，减小了电路体积，降低了自身功耗，提高了提取效率，且提取功率与负载大小无关，较宽的振动频带范围内均可使用。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种自供电的压电振动能量同步提取电路，包括压电元件、正负半周检测互锁控制电路、正负极值检测电路、四个开关、电感、二极管、储能电容、负载。其中正负半周检测互锁控制电路控制两个开关分别在负半周和正半周导通，正负极值检测电路分别控制另外两个开关在正负极值到达后导通，使电感与压电元件内部电容产生LC谐振，将压电能量同步提取到电感，并通过二极管续流将能量转移到储能电容上。整体电路采用自供电设计，自动检测压电元件的状态并控制四个开关的通断来提取能量，与现有的压电能量提取电路相比，减小了电路体积，降低了自身功耗，提高了提取效率，且提取功率与负载大小无关，较宽的振动频带范围内均可使用。【专利说明】—种自供电的压电振动能量同步提取电路
本专利技术涉及振动能量收集领域，尤其涉及一种自供电的压电振动能量同步提取电路。
技术介绍
随着集成电路技术、精密加工技术、计算机技术、无线网络通讯技术的不断发展，以无线传感器网络(WSNs)为主要应用形式的各种微型电子设备、微机电系统(MEMS)不断涌现。随着WSNs在医疗保健(穿戴式、嵌入式或植入式的医疗监测仪器等)、环境监测系统(森林火灾、洪水监测、气候变化、海洋监测等)、家用安全系统等各个领域的深入发展，对作为节点的各种微型电子设备的性能提出了更高的要求，其中备受关注的是节点寿命问题。在某些应用中，如用于环境灾害监测而设置在气候恶劣地区或森林海洋等难进入区域的传感节点、医疗保健用途的植入式无线传感节点等，一旦电源耗尽或受到损坏，不仅节点信息采集中断，还会影响整个网络信息处理的准确性。压电式振动能量采集器利用压电材料的正压电效应，将环境中的振动能转换为电能。目前，低功耗的电子器件与无线电射频技术的广泛应用为压电式振动能量的利用提供了更大的发展平台。由于振动使压电元件输出的电压是交变的，而常见的微型电子设备及无线传感网络节点的供电是需要稳定的直流电压，所以，在压电元件与用电设备之间需要设计接口电路，目前有几种常见接口电路，其中最经典的是简单的二极管全桥整流和一个滤波电容的整流滤波电路，但是，由于压电元件的内部等效电路中电容Cp的存在，压电元件首先要对Cp充电，当Cp的电压超过整流桥后端的滤波电容的电压再加上两个二极管的压降后，才能对后端的电容充电，导致这种电路不仅回收效率低，而且回收的功率受后端电容电压和负载的大小影响。因此，研究人员提出了多种非线性能量提取电路，主要包括并联Lefeuvre和Guyomar等提出的同步开关电感电路(P-SSHI)、Taylor等提出的串联同步开关电感电路(S-SSHI)、Lefeuvre等提出的同步电荷提取电路(SECE)，及在这三种电路基础上派生出来的Lallart等提出的双同步开关电路(DSSH)、南京航空航天大学裘进浩等提出的优化型同步电荷提取电路(OSECE)和增强型双同步开关电感回收电路(ESSH)等。P-SSHI电路当结构振动到极值时，快速闭合与压电元件电容Cp并联的电感，同步开关电感的主要作用是通过LC谐振使压电元件电压快速翻转，能有效增大压电片的开路电压，在一个周期内增加能量传输的时间。而在S-SSHI电路中，同步开关电感的主要作用通过两个电容和一个电感的LC谐振提取压电元件电荷。然而这两种电路回收功率仍然受后端电容电压及负载阻抗的大小影响较大。SECE、OSECE、DSSH、ESSH电路解决了这一问题，其回收功率与后端电容及负载大小无关。然而，这些电路在理论上非常具有优势，实际实现起来却过于复杂。主要是由于同步电荷提取SECE技术中涉及到电子开关的闭合时间控制，该电路的开关要求在LC谐振的1/4周期内完成开关的导通和断开，而且要求非常精确，在实际能量回收装置中，比较难实现。OSECE电路在SECE电路的基础上，优化了其开关控制策略，使得电路中模拟开关的控制变得简单易行，并且给出了低功耗的自供电方案，但是OSECE采集电路中需要一个三个线圈的耦合反激式变压器，导致整体电路体积庞大，而且对反激式变压器的品质因数有较高要求。DSSH电路在很大程度上提高了电路回收功率，但是该电路采用了两个电感和两套开关电路及检测电路，增加了电路的体积，而且该电路复杂的开关控制系统使得其只在外界提供电源的DSP控制系统中才能实现。ESSH电路的提出解决了 DSSH电路实现自供电这一关键技术难题，使得该能量回收电路向实际应用迈出了关键一步。然而ESSH电路复杂的供电系统和能源管理系统使得该电路最终输出电压只能保持在一个较低的范围之内。
技术实现思路
本专利技术之目的:提出一种自供电的压电振动能量同步提取电路，该电路采用正负半周自动检测互锁技术和正负极值检测控制技术实现压电能量电荷的高效提取。为了实现本专利技术之目的，拟采用以下技术: 一种自供电的压电振动能量同步提取电路，包括压电元件(PZT)、正负半周检测互锁控制电路、正极值检测电路、负极值检测电路、电感(L)、第一二极管(Dl)、储能电容(Cr)、负载电阻(RL)，第一、第二、第三、第四开关(S1、S2、S3、S4)，压电元件(PZT)的I脚与正负半周自动检测互锁控制电路的a端、正极值触发检测电路正端、负极值触发检测电路的负端相连，压电元件(PZT)的2脚与正负半周自动检测互锁控制电路的b端、正极值触发检测电路负端、负极值触发检测电路的正端相连，压电元件(PZT)的I脚与正负半周自动检测互锁控制的第一开关(SI)、正极值触发检测电路控制的第三开关(S3)的一端相连，压电元件(PZT)的2脚与正负半周自动检测互锁控制的第二开关(S2)、负极值触发检测电路控制的第四开关(S4)的一端相连。第一开关(SI)和第二开关(S2)的另一端互联后与电感(L)的2脚相连，第三开关(S3)和第四开关(S4)的另一端互联后与电感(L)的I脚相连，电感(L)的2脚与第一二极管(Dl)的正端相连，电感(L)的I脚与电路系统输出地(GND)相连，第一二极管(Dl)的负端与储能电容(Cr)正端相连，储能电容(Cr)正端与系统负载(RL)相连并输出直流电压(Vdc)，储能电容(Cr)与负载(RL)的负端均与电路输出地(GND)相连。互锁的两个NMOS场效应管第一场效应管(Ql)与第二场效应管(Q2)构成正负半周检测互锁控制电路及第一开关(SI )、第二开关(S2)电路，第一场效应管(Ql)和第二场效应管(Q2)的源极相连并与电感的2脚相连，第一场效应管(Ql)的栅极和第二场效应管(Q2)的漏极相连，第二场效应管(Q2)的栅极和第一场效应管(Ql)的漏极相连。正极值检测电路由第二二极管(D2)、第一电容(C1)、PNP型第五三极管(Q5)构成，压电元件的I脚连接第二二极管(D2)的正端，第二二极管(D2)的负端端连接第一电容(Cl)的正端，第一电容(Cl)的负端连接压电元件(PZT)的2脚，第二二极管(D2)的负端连接PNP型第五三极管(Q5)的发射极，第二二极管(D2)的正端连接PNP型第五三极管(Q5)的基极，PNP型第五三极管(Q5 )的集电极输出控制第三开关(S3)，NPN型第三三极管(Q3 )构成第三开关(S3 )，第三三极管(Q3 )的基极连接第五三极管(Q5 )的集电极，第三三极管(Q3 )本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自供电的压电振动能量同步提取电路，包括压电元件(PZT)、正负半周检测互锁控制电路、正极值检测电路、负极值检测电路、电感（L）、第一二极管(D1)、储能电容(Cr)、负载电阻(RL)，第一、第二、第三、第四开关（S1、S2、S3、S4），其特征在于：压电元件(PZT)的1脚与正负半周自动检测互锁控制电路的a端、正极值触发检测电路正端、负极值触发检测电路的负端相连，压电元件(PZT)的2脚与正负半周自动检测互锁控制电路的b端、正极值触发检测电路负端、负极值触发检测电路的正端相连，压电元件(PZT)的1脚与正负半周自动检测互锁控制的第一开关（S1）、正极值触发检测电路控制的第三开关（S3）的一端相连，压电元件(PZT)的2脚与正负半周自动检测互锁控制的第二开关（S2）、负极值触发检测电路控制的第四开关（S4）的一端相连，第一开关（S1）和第二开关（S2）的另一端互联后与电感（L）的2脚相连，第三开关（S3）和第四开关（S4）的另一端互联后与电感(L)的1脚相连，电感(L)的2脚与第一二极管（D1）的正端相连，电感(L)的1脚与电路系统输出地（GND)相连，第一二极管（D1）的负端与储能电容（Cr）正端相连，储能电容（Cr）正端与系统负载(RL)相连并输出直流电压（Vdc)，储能电容（Cr）与负载(RL)的负端均与电路输出地（GND）相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：施阁，
申请(专利权)人：施阁，
类型：发明
国别省市：浙江;33