一種自供電式非線性壓電振動能量提取電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自供電式非線性壓電振動能量提取電路，包括用于收集壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷并將其轉(zhuǎn)換為直流電輸出給外界負載供電的非線性能量提取電路模塊；用于檢測壓電材料表面的電荷極值，并發(fā)出控制信號以控制非線性能量提取電路的通斷的極值檢測電路模塊；和向非線性能量收集電路模塊和極值檢測電路模塊中低功耗電子器件供電的供電電路模塊。本發(fā)明提出的非線性能量提取電路回收功率相比標準電路得到極大的提高，并且具有很高的輸出電壓，可匹配多種電源管理方式，對于無線網(wǎng)絡(luò)式傳感節(jié)點的供電具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種自供電式非線性壓電振動能量提取電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提取振動能量的電路，尤其涉及一種利用壓電材料對環(huán)境振動能量提取的自供電式電路。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]目前，無線系統(tǒng)和微功耗的電子設(shè)備已在日常生活中得到廣泛運用，隨著微功耗電子元器件的進一步發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)式傳感系統(tǒng)也廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)測系統(tǒng)，例如對大型機械設(shè)備、高速交通工具、野外生態(tài)環(huán)境、道路、橋梁、水庫等大型建筑物進行監(jiān)測，提高設(shè)備運行可靠性，降低維護費用。然而，目前絕大多數(shù)無線傳感器節(jié)點仍采用電池供電，由于電池工作壽命有限，導(dǎo)致無線傳感節(jié)點不易于安裝且需要定期更換電池，在很大程度上增加了設(shè)備運行維護費用，并且大量的使用電池，也給環(huán)境帶來了很大污染。因此，開發(fā)一種新型供電電源成為解決這一問題的有效方案而被逐漸提上日程。另外，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的低功耗化進一步驅(qū)動了對開發(fā)新的能源系統(tǒng)的研究，由于節(jié)點的功耗極低，外界壞境中存在多種類型的能量滿足節(jié)點的能量消耗。
[0004]自然環(huán)境中存在著太陽能、溫差能、振動能等多種形式的能量，然而太陽能和溫差能的功能技術(shù)受到自然環(huán)境的制約而難以廣泛應(yīng)用，而從機械振動中獲取能量被證明是切實可行的。目前將振動能轉(zhuǎn)化成電能一般采用三種方法:電磁式、靜電式和壓電式。由于壓電式能量回收系統(tǒng)的輸出功率較大，體積小，易于器件的小型化和集成化，對電子器件不產(chǎn)生電磁干擾，因此國內(nèi)外許多研究機構(gòu)和學者們都對壓電式能量回收系統(tǒng)展開了研究。
[0005]對于壓電式能量回收系統(tǒng)的研究主要集中在三個方面:材料、結(jié)構(gòu)和接口電路。壓電材料主要有壓電單晶、壓電陶瓷、聚偏氟乙烯等。能量回收結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括單層、多層壓電能量回收裝置，壓電疊堆等等。而接口電路方面，目前主要有多種典型應(yīng)用接口電路:其中最簡單經(jīng)典的接口電路為一個二極管全波整流電橋和一個濾波電容組成，但是這種接口電路不僅回收功率低下，并且回收的功率受負載阻抗的影響非常大。為解決這一問提。許多開關(guān)類型的非線性能量提取電路被提了出來。主要有同步開關(guān)電感回收(SSHI)電路、同步電荷提取(SECE)電路、優(yōu)化型同步電荷提取(OSECE)電路、雙同步開關(guān)電感回收(DSSH)電路、增強型雙同步開關(guān)電感回收(ESSH)電路等。這些開關(guān)類型的電路均是通過控制模擬開關(guān)的通斷，在壓電元件上電荷積累至極大值時，使能量采集電路導(dǎo)通，一次性將電荷全部提取至儲能電路，大大提高了能量回收的效率。然而SSHI電路回收功率仍然受負載阻抗的影響較大，而SECE、OSECE, DSSH、ESSH電路很好地解決了這一問題，其回收功率與負載無關(guān)，能很好地滿足能量回收實際應(yīng)用的需要。但是SECE電路要求開關(guān)閉合時間在微秒級別并且要求非常精確，在實際應(yīng)用中很難實現(xiàn)不依靠外界供電而獨立工作，OSECE電路在SECE電路的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了其開關(guān)控制策略，使得電路中模擬開關(guān)的控制變得簡單易行，并且給出了低功耗的自供電方案，使SECE電路成為簡單、高效、獨立的能量收集系統(tǒng)。DSSH電路在很大程度上提高了電路回收功率，但是該電路復(fù)雜的開關(guān)控制系統(tǒng)使得其只在外界提供電源的DSP控制系統(tǒng)中才能實現(xiàn)。ESSH電路的提出解決了 DSSH電路實現(xiàn)自供電這一關(guān)鍵技術(shù)難題，使得該能量回收電路距離實際應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。然而ESSH電路復(fù)雜的供電系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)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(nèi)。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種自供電式的壓電振動能量提取電路。該電路能夠高效回收環(huán)境振動能量，克服了以往能量收集電路輸出功率隨負載變化而變化的缺點。同時，該電路優(yōu)化了以往電路的供電模式，使得該電路可以不依靠外界電源供電而獨立工作，并且該電路最終輸出功率和輸出電壓也得到進一步提高?？蓮V泛用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其他微功耗電子器件的供電。
[0008]技術(shù)方案
為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的自供電式非線性壓電振動能量提取電路包括:用于收集壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷并將其轉(zhuǎn)換為直流電輸出給外界負載供電的非線性能量提取電路模塊；
用于檢測壓電材料表面的電荷極值，并發(fā)出控制信號以控制非線性能量提取電路的通斷的極值檢測電路模塊；
和向非線性能量收集電路模塊和極值檢測電路模塊中低功耗電子器件供電的供電電路模塊。
[0009]其中，所述非線性能量提取電路用于收集粘貼于外界振動結(jié)構(gòu)表面的壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷，并將其轉(zhuǎn)換為直流電輸出給外界負載供電，使得整個能量收集系統(tǒng)成為不需依靠外界電源的獨立工作系統(tǒng)，滿足一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及微功耗電子設(shè)備的供電要求。
[0010]更進一步地，所述的非線性能量提取電路模塊包括第一壓電元件，第一、第二、第三模擬開關(guān)，第三、第四、第五、第六二極管，第一、第二儲能電容，閾值控制電路、電感和升壓/降壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述的第一壓電元件第一端通過電感與第一模擬開關(guān)第一端連接，第一模擬開關(guān)第二端連接于第三二極管正極和第四二極管負極之間；第一壓電元件第二端連接于第五二極管正極和第六二極管負極之間；所述第一儲能電容第一端與第五二極管負極連接，第二端與第六二極管正極連接；第一儲能電容第一端通過第二模擬開關(guān)與升壓/降壓轉(zhuǎn)換器原邊的陽極連接，升壓/降壓轉(zhuǎn)換器原邊的陰極與第一儲能電容第二端連接；升壓/降壓轉(zhuǎn)換器副邊的陽極通過第七二極管與第二儲能電容的陽極相連，副邊的陰極與第二儲能電容的負極相連；所述的閾值控制電路檢測所述第一儲能電容上的電壓信號，并向第三模擬開關(guān)發(fā)出驅(qū)動信號，所述閾值控制電路由一個低功耗的第五電壓比較器實現(xiàn)；其中所述第一、第二模擬開關(guān)分別用于控制所述非線性能量提取電路的通斷，當所述非線性能量提取電路導(dǎo)通時，可提取第一壓電元件由于環(huán)境振動而產(chǎn)生的電荷并通過所述四個整流二極管將交流電壓整流為直流，存儲于第一儲能電容。所述閾值控制電路用于檢測所述第一儲能電容上的電壓信號，當?shù)谝粌δ茈娙萆系碾妷焊哂谝欢ㄖ禃r，由閾值控制電路產(chǎn)生對于第三模擬開關(guān)的驅(qū)動信號，使得第一儲能電容上能量通過所述升壓/降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移至第二儲能電容。所述升壓、降壓轉(zhuǎn)換器其實質(zhì)是一個高品質(zhì)因數(shù)的單端反激式變壓器，包括一個原邊線圈和一個副邊線圈。其原邊線圈的陽極和第一儲能電容的正極相連，原邊線圈的陰極和第一儲能電容的負極相連，副邊線圈的陽極通過第七二極管與第二儲能電容的陽極相連，副邊線圈的陰極與第二儲能電容的負極相連。由第二儲能電容上的電壓對外界負載供電。
[0011]具體地，第一模擬開關(guān)由第一 P型場效應(yīng)管組成，第一場效應(yīng)管的集電極與第五二極管的正極連接，第五二極管的負極與第三二極管的正極連接。第一場效應(yīng)管的發(fā)射級與“地”端連接。第二模擬開關(guān)由第二 P型場效應(yīng)管組成，第二 P型場效應(yīng)管的集電極與第六二極管的正端連接，第六二極管的負極與第四二極管的正極連接。第二場效應(yīng)管的發(fā)射集也與“地”端連接。第一儲能電容的正極與第三、第四二極管的負極連接，同時第一儲能電容的正極與第五電壓比較器的輸入端相連，第一儲能電容的負極與“地”端連接。第三模擬開關(guān)由第三、第四場效應(yīng)管組成，第三場效應(yīng)管是一個N型場效應(yīng)管，其發(fā)射集與“地”端相連，基極與第五電壓比較器的輸出端相連，集電極與第四P型場效應(yīng)管的基極相連，第四場效應(yīng)管的發(fā)射集與第一儲能電容和第六電阻的正極相連，第六電阻的負極與第四場效應(yīng)管的基極相連，第四場效應(yīng)管的集電極與單端反激式變壓器的原邊線圈的正極相連，原邊線圈的負極與“地”相連。單端反激式變壓器的副邊線圈的正極與“地”端相連，負極與第七二極管的正極相連，第七二極管的負極與第二儲能電容的正極相連，第二儲能電容的負極與“地”相連。所述閾值控制電路包括第五電壓比較器和第七、第八、第九、第十、第十一電阻和第七電容。第五電壓比較器的正向電源輸入端V+與第一儲能電容的正極相連,負向電源輸入端V-與GND端與“地”相連。第七電阻的正極與第五電壓比較器的REF端相連，負極與第七電容的正極相連，第七電容的負極與“地”端相連。第八電阻的正極也與第五電壓比較器的REF端相連，負極與HYST端相連，第九電阻的正極與第五電壓比較器的HYST端相連，負極與地端相連。第十電阻的正極與第一儲能電容的正極相連，負極與第五電壓比較器的同相輸入端相連，第十一電阻的正極與第五電壓比較器的同相輸入端相連，負極與“地”端相連。當閾值控制電路檢測到第一儲能電容上的電壓超過一定值時，發(fā)出開關(guān)驅(qū)動信號將第三模擬開關(guān)閉合，儲存在第一儲能電容上的電能轉(zhuǎn)移至單端反激式變壓器的原邊線圈。當?shù)谝粌δ茈娙萆系碾妷旱陀谝欢ㄖ禃r，由閾值控制電路發(fā)出控制信號將第三模擬開關(guān)斷開，此時存儲在反激式變壓器原邊線圈上的電能經(jīng)副邊互感線圈轉(zhuǎn)移至第二儲能電容存儲。
[0012]所述的極值檢測電路模塊包括第二壓電元件、輸入信號調(diào)理模塊、低通濾波模塊和電壓比較模塊，其中，輸入信號調(diào)理模塊由第一、第二電阻和第一電壓跟隨電路組成，低通濾波模塊由第三可調(diào)電阻、第六電容和第二運算放大器組成，電壓比較模塊由第三、第四運算放大器組成；第二壓電元件的電壓信號經(jīng)過所述信號調(diào)理模塊將電壓信號幅值調(diào)理后，再將該信號經(jīng)過所述低通濾波模塊，將原信號與經(jīng)過低通濾波的信號經(jīng)過所述電壓比較模塊進行比較，向第一、第二模擬開關(guān)輸出控制信號；該極值檢測模塊可以實時檢測壓電材料表面產(chǎn)生的電荷，當檢測到壓電材料表面電壓到達極大(極小)值時，極值檢測電路分別產(chǎn)生電壓信號驅(qū)動所述非線性能量提取電路的第一 /第二模擬開關(guān)閉合，使得非線性能量提取電路導(dǎo)通，能量收集過程開始。當壓電材料上的電荷量低于第一儲能電容上的電壓時，非線性能量提取電路斷開，能量收集過程停止。具體地，第一電壓跟隨器的反相輸入端與輸出端相連，由信號調(diào)理模塊輸出的信號分為兩路，一路經(jīng)由低通濾波模塊輸入第三運算放大器的同相輸入端，一路直接輸入第三電壓比較器的反向輸入端。所述低通濾波模塊由第三可調(diào)電阻、第六電容、第四、第五電阻、第二電壓運算放大器組成。第三可調(diào)電阻的正極與第一電壓跟隨器的輸出端相連，第三可調(diào)電阻的調(diào)節(jié)端與第二電壓運算放大器的同相輸入端相連。第六電容的正極與第二電壓運算放大器的同相輸入端相連，第六電容的負極與“地”端相連。第二運算放大電路的反相輸入端與第四電阻的正端相連，第四電阻的負端與“地”相連，同時第二運算放大電路的反相輸入端經(jīng)由第五可調(diào)電阻與第二運算放大器的輸出端相連。第二運算放大電路的輸出端與第三電壓比較器的同相輸入端相連。第三運算放大器的輸出分為兩路，一路與第一場效應(yīng)管的基極相連，用以驅(qū)動第一模擬開關(guān)，另一路與第四運算放大器的反相輸入端相連。第四運算放大器的同相輸入端與“地”端相連，輸出端與第二場效應(yīng)的基極相連，用以驅(qū)動第二場效應(yīng)管。當?shù)诙弘娫系碾妷哼_到極小值時，極值檢測電路中第三電壓比較器輸出的信號驅(qū)動第一模擬開關(guān)閉合，使能量提取電路中的第一壓電元件、電感、第四、第五二極管、第一儲能電容組成LC振蕩電路，將壓電元件上的電荷提取至第一儲能電容。當?shù)诙弘娫系碾妷哼_到極大值時，極值檢測電路中第四運算放大器輸出的信號驅(qū)動第二模擬開關(guān)閉合，使能量提取電路中的第一壓電元件、電感、第三、第六二極管、第一儲能電容組成LC振蕩電路，將壓電元件上的電荷提取至第一儲能電容。
[0013]所述的自供電電路包括第三壓電元件、第一、第二二極管和第三、第四、第五電容，所述第三壓電元件上的交流電壓經(jīng)過第一、第二二極管半波整流，再經(jīng)過第三、第四、第五電容低通濾波以后，在第三電容的陽極形成正向直流電壓，在第五電容的陰極形成負向直流電壓，向電路自身供電。
[0014]該發(fā)明的技術(shù)方案優(yōu)化了 DSSH電路中的開關(guān)控制策略，對于第三模擬開關(guān)的控制，DSSH技術(shù)將第三模擬開關(guān)閉合直至第一儲能電容上的電荷全部被提取，而本技術(shù)方案只將第一儲能電容上的大部分電荷提取，大大提高了能量提取密度。本技術(shù)方案將DSSH中的第二電感用反激式變壓器代替，這樣確保了第一儲能電容與第二儲能電容的“地”端為同一端，實現(xiàn)了第一儲能電容、第二儲能電容及負載“共地”，保證了 DSSH自供電電路的實現(xiàn)，克服了以往DSSH電路只能在由外界供電的DSP系統(tǒng)中才能實現(xiàn)的缺點。
[0015]有益效果:
本發(fā)明的基于壓電材料的自供電式能量回收電路具有以下有益效果:
(I)本發(fā)明提出的非線性能量提取電路回收功率相比標準電路得到極大的提高，并且具有很高的輸出電壓，可匹配多種電源管理方式，對于無線網(wǎng)絡(luò)式傳感節(jié)點的供電具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0016](2)該能量提取電路的回收功率不隨負載阻抗的變化而變化，因此該電路的應(yīng)用相對獨立于運行負載，即在較寬的負載阻抗變化范圍內(nèi)均能取得較為理想的輸出功率，從而保證被供電系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運行。
[0017](3)該發(fā)明技術(shù)中的電子元件均由微功耗器件實現(xiàn)，電路本身功耗非常低，并且電路各個微功耗電子器件均由電路本身收集的能量為其提供供電，該能量回收系統(tǒng)本身能夠快速、獨立、穩(wěn)定地工作，符合能量回收實際應(yīng)用環(huán)境的基本特征，對于振動環(huán)境中的無線傳感節(jié)點的供電具有廣泛的應(yīng)用前景。[0018]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明自供電式非線性壓電振動能量提取電路的系統(tǒng)示意圖；
圖2是自供電式非線性能量提取電路模塊的原理圖；其中，PZT為第一壓電元件，Cint為第一儲能電容，Cs為第二儲能電容，SI包括第一、第二模擬開關(guān)，S2為第三模擬開關(guān)，LI為外接電感，L2、L3為反激式變壓器的原邊線圈及副邊線圈，RL為外接負載電阻；
圖3是本發(fā)明自供電式非線性壓電振動能量提取電路的一個實施例的電路示意圖；
圖4是本發(fā)明一個實施例的最終回收功率與標準電路和同步開關(guān)電感回收電路輸出功率的比較示意圖；
圖5(a)和(b)分別是本發(fā)明的電路在實際應(yīng)用中與標準電路相比輸出功率與輸出電壓隨負載的變化，其實驗條件是在懸臂梁式壓電振動發(fā)電結(jié)構(gòu)單模態(tài)恒定振幅的振動。
[0020]
【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行進一步說明。
[0022]如圖1所示 ，本實施例的一種自供電式非線性壓電振動能量提取電路包括非線性能量提取及能量存儲模塊、極值檢測模塊、自供電電路模塊組成。其中，所述非線性能量提取電路模塊包括第一壓電元件PZT1、電感L1、開關(guān)SI (包括第一、第二模擬開關(guān))、開關(guān)S2(第三模擬開關(guān))、電荷提取電路模塊、閾值控制電路模塊(輸出對開關(guān)SW2的控制信號)、反激式變壓器(包括原邊線圈L2、副邊線圈L3)、儲能電路。所述極值檢測電路模塊包括由第二壓電元件PZT2構(gòu)成的壓電信號傳感單元和極值檢測電路，能夠?qū)崟r監(jiān)測壓電元件上的電壓信號，輸出對開關(guān)SWl的控制信號。所述自供電電路模塊包括第三壓電元件PZT3和供電電路，該模塊提供極值檢測電路中的電子元件所消耗的電能。
[0023]如圖2、圖3所示，非線性能量提取過程分為初次能量提取及二次能量提取過程。由粘貼在振動結(jié)構(gòu)表面的第一壓電元件PZT1、外界電感L1、第三、第四、第五、第六整流二極管D3、D4、D5、D6，以及第一儲能電容Cl和第一、第二模擬開關(guān)Ql、Q2組成初次能量提取模塊。當?shù)谝粔弘娫ZTl上下表面間電壓達到極大值時，將第二模擬開關(guān)Q2閉合，由PZTU L1、D3、D6、Cl組成閉合LC電磁振蕩回路，在經(jīng)歷二分之一個振蕩周期后，壓電元件的電荷轉(zhuǎn)移至第一儲能電容Cl,第一壓電兀件上的電壓與開關(guān)閉合前反向，由于第三二極管D3、第六二極管D6的存在，此時這一LC回路斷開，完成了能量提取電路的單次電荷提取。同樣當壓電元件上下表面間電壓達到極小值時，將第一模擬開關(guān)Ql閉合，由PZT1、L1、D4、D5、C1組成閉合LC電磁振蕩回路,壓電兀件的電荷轉(zhuǎn)移至第一儲能電容Cl上。其中第一、第二模擬開關(guān)均由P型場效應(yīng)管實現(xiàn)，對于第一、第二模擬開關(guān)的控制信號由極值檢測電路輸出。當每次由第一壓電元件至第一儲能電容的能量轉(zhuǎn)移完成后，就開始二次能量提取過程。二次能量提取模塊包括第三模擬開關(guān)Q3、第六電阻R6、閾值控制電路(包括滯回電壓比較器U5，電阻R7、R8、R9、RlO、Rl I，電容C7)、單端反激式變壓器(包括初級線圈L2、次級線圈L3)、第二儲能電容C2、第七二極管D7、負載電阻R12。其中第三模擬開關(guān)由第三N型場效應(yīng)管和第四P型場效應(yīng)管組成。將第一儲能電容上的電壓信號輸入到滯回電壓比較器U5的輸入端，當檢測到Cl上的電壓高于一定值VH時，由U5的輸出端輸出控制信號驅(qū)動第三模擬開關(guān)Q3閉合，由第一儲能電容Cl和反激式變壓器的初級線圈L2構(gòu)成LC振蕩回路，將Cl上的能量轉(zhuǎn)移至L2。當電壓比較器U5檢測到Cl上的電壓低于一定值VL時，由U5的輸出端輸出控制信號驅(qū)動第三模擬開關(guān)Q3斷開，此時反激式變壓器的副邊線圈L3上便有感應(yīng)電流出現(xiàn)，將L2上存儲的電能通過L3及二極管D7轉(zhuǎn)移至第二儲能電容C2上。
[0024]極值檢測模塊由第一電阻R1、第二電阻R2構(gòu)成信號傳感及幅值調(diào)理模塊，將粘貼在振動結(jié)構(gòu)表面的第二壓電元件上的電壓信號經(jīng)過幅值處理，調(diào)理至第一電壓比較器Ul的輸入的信號允許范圍后輸入第一電壓比較器的同相輸入端，第一電壓比較器Ul實質(zhì)為一個電壓跟隨器，其輸出端與反向輸入端相連。將第一電壓比較器Ul輸出的信號分為兩路，一路直接輸入第三電壓比較器的反相輸入端，另一路經(jīng)過第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電容C6及第二電壓比較器U2組成的低通濾波模塊，將第二電壓比較器U2的輸出端與第三電壓比較器的同相輸出端相連，經(jīng)過第二電壓比較器U2后輸出的信號相比第一電壓比較器Ul輸出的信號有一定程度的相位滯后現(xiàn)象，將這兩路信號由第三電壓比較器做比較，即可在輸出第一模擬開關(guān)Ql的控制信號。再將第三電壓比較器U3的輸出端與第四電壓比較器U4的反向輸入端相連，第四電壓比較器U4的同相輸入端與“地”端相連。第四電壓比較器實質(zhì)上是一個反相器，其輸出與第三電壓比較器U3相反的信號，用于控制第二模擬開關(guān)Q2的閉合與斷開。
[0025]本實施例中自供電電路模塊將第三壓電元件PZT3上的交流電壓經(jīng)過第一二極管D1、第二二極管D2進行半波整流，再經(jīng)過第三電容C3、第五電容C5進行低通濾波以后，可將直流電能存儲于第四電容C4上。在第四電容C4的陽極形成正向直流電壓，在第四電容C5的陰極形成負向直流電壓，由上述兩路直流電壓對極值檢測電路中的低功耗電子器件供電。
【權(quán)利要求】
1.一種自供電式非線性壓電振動能量提取電路，其特征在于，包括: 用于收集壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷并將其轉(zhuǎn)換為直流電輸出給外界負載供電的非線性能量提取電路模塊； 用于檢測壓電材料表面的電荷極值，并發(fā)出控制信號以控制非線性能量提取電路的通斷的極值檢測電路模塊； 和向非線性能量收集電路模塊和極值檢測電路模塊中低功耗電子器件供電的供電電路模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的自供電式非線性壓電振動能量提取電路，其特征在于， 所述的非線性能量提取電路模塊包括第一壓電元件，第一、第二、第三模擬開關(guān)，第三、第四、第五、第六二極管，第一、第二儲能電容，閾值控制電路、電感和升壓/降壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述的第一壓電元件第一端通過電感與第一模擬開關(guān)第一端連接，第一模擬開關(guān)第二端連接于第三二極管正極和第四二極管負極之間；第一壓電元件第二端連接于第五二極管正極和第六二極管負極之間；所述第一儲能電容第一端與第五二極管負極連接，第二端與第六二極管正極連接；第一儲能電容第一端通過第二模擬開關(guān)與升壓/降壓轉(zhuǎn)換器原邊的陽極連接，升壓/降壓轉(zhuǎn)換器原邊的陰極與第一儲能電容第二端連接；升壓/降壓轉(zhuǎn)換器副邊的陽極通過第七二極管與第二儲能電容的陽極相連，副邊的陰極與第二儲能電容的負極相連；所述的閾值控制電路檢測所述第一儲能電容上的電壓信號，并向第三模擬開關(guān)發(fā)出驅(qū)動信號； 所述的極值檢測電路模塊包括第二壓電元件、輸入信號調(diào)理模塊、低通濾波模塊和電壓比較模塊，其中，輸入信號調(diào)理模塊由第一、第二電阻和第一電壓跟隨電路組成，低通濾波模塊由第三可調(diào)電阻、第六電容和第二運算放大器組成，電壓比較模塊由第三、第四運算放大器組成；第二壓電元件的電壓信號經(jīng)過所述信號調(diào)理模塊將電壓信號幅值調(diào)理后，再將該信號經(jīng)過所述低通濾波模塊，將原信號與經(jīng)過低通濾波的信號經(jīng)過所述電壓比較模塊進行比較，向第一、第二模擬開關(guān)輸出控制信號；所述的自供電電路包括第三壓電元件、第一、第二二極管和第三、第四、第五電容，所述第三壓電元件上的交流電壓經(jīng)過第一、第二二極管半波整流，再經(jīng)過第三、第四、第五電容低通濾波以后，在第三電容的陽極形成正向直流電壓，在第五電容的陰極形成負向直流電壓，向電路自身供電。
【文檔編號】H02N2/18GK103607138SQ201310535117
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】季宏麗, 王玉霞, 裘進浩, 吳義鵬, 程衍偉 申請人:南京航空航天大學