一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路，包括壓電元件、正負(fù)半周檢測互鎖控制電路、正負(fù)極值檢測電路、四個(gè)開關(guān)、電感、二極管、儲(chǔ)能電容、負(fù)載。其中正負(fù)半周檢測互鎖控制電路控制兩個(gè)開關(guān)分別在負(fù)半周和正半周導(dǎo)通，正負(fù)極值檢測電路分別控制另外兩個(gè)開關(guān)在正負(fù)極值到達(dá)后導(dǎo)通，使電感與壓電元件內(nèi)部電容產(chǎn)生LC諧振，將壓電能量同步提取到電感，并通過二極管續(xù)流將能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容上。整體電路采用自供電設(shè)計(jì)，自動(dòng)檢測壓電元件的狀態(tài)并控制四個(gè)開關(guān)的通斷來提取能量，與現(xiàn)有的壓電能量提取電路相比，減小了電路體積，降低了自身功耗，提高了提取效率，且提取功率與負(fù)載大小無關(guān)，較寬的振動(dòng)頻帶范圍內(nèi)均可使用。
【專利說明】—種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及振動(dòng)能量收集領(lǐng)域，尤其涉及一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路技術(shù)、精密加工技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)為主要應(yīng)用形式的各種微型電子設(shè)備、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)不斷涌現(xiàn)。隨著WSNs在醫(yī)療保健(穿戴式、嵌入式或植入式的醫(yī)療監(jiān)測儀器等)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(森林火災(zāi)、洪水監(jiān)測、氣候變化、海洋監(jiān)測等)、家用安全系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域的深入發(fā)展，對(duì)作為節(jié)點(diǎn)的各種微型電子設(shè)備的性能提出了更高的要求，其中備受關(guān)注的是節(jié)點(diǎn)壽命問題。在某些應(yīng)用中，如用于環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測而設(shè)置在氣候惡劣地區(qū)或森林海洋等難進(jìn)入?yún)^(qū)域的傳感節(jié)點(diǎn)、醫(yī)療保健用途的植入式無線傳感節(jié)點(diǎn)等，一旦電源耗盡或受到損壞，不僅節(jié)點(diǎn)信息采集中斷，還會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息處理的準(zhǔn)確性。
[0003]壓電式振動(dòng)能量采集器利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。目前，低功耗的電子器件與無線電射頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用為壓電式振動(dòng)能量的利用提供了更大的發(fā)展平臺(tái)。
[0004]由于振動(dòng)使壓電元件輸出的電壓是交變的，而常見的微型電子設(shè)備及無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電是需要穩(wěn)定的直流電壓，所以，在壓電元件與用電設(shè)備之間需要設(shè)計(jì)接口電路，目前有幾種常見接口電路，其中最經(jīng)典的是簡單的二極管全橋整流和一個(gè)濾波電容的整流濾波電路，但是，由于壓電元件的內(nèi)部等效電路中電容Cp的存在，壓電元件首先要對(duì)Cp充電，當(dāng)Cp的電壓超過整流橋后端的濾波電容的電壓再加上兩個(gè)二極管的壓降后，才能對(duì)后端的電容充電，導(dǎo)致這種電路不僅回收效率低，而且回收的功率受后端電容電壓和負(fù)載的大小影響。因此，研究人員提出了多種非線性能量提取電路，主要包括并聯(lián)Lefeuvre和Guyomar等提出的同步開關(guān)電感電路(P-SSHI)、Taylor等提出的串聯(lián)同步開關(guān)電感電路(S-SSHI)、Lefeuvre等提出的同步電荷提取電路(SECE)，及在這三種電路基礎(chǔ)上派生出來的Lallart等提出的雙同步開關(guān)電路(DSSH)、南京航空航天大學(xué)裘進(jìn)浩等提出的優(yōu)化型同步電荷提取電路(OSECE)和增強(qiáng)型雙同步開關(guān)電感回收電路(ESSH)等。
[0005]P-SSHI電路當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)到極值時(shí)，快速閉合與壓電元件電容Cp并聯(lián)的電感，同步開關(guān)電感的主要作用是通過LC諧振使壓電元件電壓快速翻轉(zhuǎn)，能有效增大壓電片的開路電壓，在一個(gè)周期內(nèi)增加能量傳輸?shù)臅r(shí)間。而在S-SSHI電路中，同步開關(guān)電感的主要作用通過兩個(gè)電容和一個(gè)電感的LC諧振提取壓電元件電荷。然而這兩種電路回收功率仍然受后端電容電壓及負(fù)載阻抗的大小影響較大。
[0006]SECE, OSECE, DSSH、ESSH電路解決了這一問題，其回收功率與后端電容及負(fù)載大小無關(guān)。然而，這些電路在理論上非常具有優(yōu)勢，實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來卻過于復(fù)雜。主要是由于同步電荷提取SECE技術(shù)中涉及到電子開關(guān)的閉合時(shí)間控制，該電路的開關(guān)要求在LC諧振的1/4周期內(nèi)完成開關(guān)的導(dǎo)通和斷開，而且要求非常精確，在實(shí)際能量回收裝置中，比較難實(shí)現(xiàn)。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，但是OSECE采集電路中需要一個(gè)三個(gè)線圈的耦合反激式變壓器，導(dǎo)致整體電路體積龐大，而且對(duì)反激式變壓器的品質(zhì)因數(shù)有較高要求。DSSH電路在很大程度上提高了電路回收功率，但是該電路采用了兩個(gè)電感和兩套開關(guān)電路及檢測電路，增加了電路的體積，而且該電路復(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(shí)現(xiàn)。ESSH電路的提出解決了 DSSH電路實(shí)現(xiàn)自供電這一關(guān)鍵技術(shù)難題，使得該能量回收電路向?qū)嶋H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(gè)較低的范圍之內(nèi)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型之目的:提出一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路，該電路采用正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖技術(shù)和正負(fù)極值檢測控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓電能量電荷的高效提取。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型之目的，擬采用以下技術(shù):
[0009]一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路，包括壓電元件(PZT)、正負(fù)半周檢測互鎖控制電路、正極值檢測電路、負(fù)極值檢測電路、電感(L)、第一二極管(Dl)、儲(chǔ)能電容(Cr)、負(fù)載電阻(RL)，第一、第二、第三、第四開關(guān)(S1、S2、S3、S4)，壓電元件(PZT)的I腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制電路的a端、正極值觸發(fā)檢測電路正端、負(fù)極值觸發(fā)檢測電路的負(fù)端相連，壓電元件(PZT)的2腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制電路的b端、正極值觸發(fā)檢測電路負(fù)端、負(fù)極值觸發(fā)檢測電路的正端相連，壓電元件(PZT)的I腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制的第一開關(guān)(SI)、正極值觸發(fā)檢測電路控制的第三開關(guān)(S3)的一端相連，壓電元件(PZT)的2腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制的第二開關(guān)(S2)、負(fù)極值觸發(fā)檢測電路控制的第四開關(guān)(S4)的一端相連。第一開關(guān)(SI)和第二開關(guān)(S2)的另一端互聯(lián)后與電感(L)的2腳相連，第三開關(guān)(S3)和第四開關(guān)(S4)的另一端互聯(lián)后與電感(L)的I腳相連，電感(L)的2腳與第一二極管(Dl)的正端相連，電感(L)的I腳與電路系統(tǒng)輸出地(GND)相連，第一二極管(Dl)的負(fù)端與儲(chǔ)能電容(Cr)正端相連，儲(chǔ)能電容(Cr)正端與系統(tǒng)負(fù)載(RL)相連并輸出直流電壓(Vdc)，儲(chǔ)能電容(Cr)與負(fù)載(RL)的負(fù)端均與電路輸出地(GND)相連。
[0010]互鎖的兩個(gè)NMOS場效應(yīng)管第一場效應(yīng)管(Ql)與第二場效應(yīng)管(Q2)構(gòu)成正負(fù)半周檢測互鎖控制電路及第一開關(guān)(SI )、第二開關(guān)(S2)電路，第一場效應(yīng)管(Ql)和第二場效應(yīng)管(Q2)的源極相連并與電感的2腳相連，第一場效應(yīng)管(Ql)的柵極和第二場效應(yīng)管(Q2)的漏極相連，第二場效應(yīng)管(Q2)的柵極和第一場效應(yīng)管(Ql)的漏極相連。
[0011]正極值檢測電路由第二二極管(D2)、第一電容(C1)、PNP型第五三極管(Q5)構(gòu)成，壓電元件的I腳連接第二二極管(D2)的正端，第二二極管(D2)的負(fù)端連接第一電容(Cl)的正端，第一電容(Cl)的負(fù)端連接壓電元件(PZT)的2腳，第二二極管(D2)的負(fù)端連接PNP型第五三極管(Q5)的發(fā)射極，第二二極管(D2)的正端連接PNP型第五三極管(Q5)的基極，PNP型第五三極管(Q5)的集電極輸出控制第三開關(guān)(S3)，NPN型第三三極管(Q3)構(gòu)成第三開關(guān)(S3)，第三三極管(Q3)的基極連接第五三極管(Q5)的集電極，第三三極管(Q3)的集電極連接壓電元件(PZT)的I腳，第三三極管(Q3)的發(fā)射極連接電感(L)的I腳；負(fù)極值檢測電路由第三二極管(D3 )、第二電容(C2)、PNP型第六三極管(Q6 )構(gòu)成，壓電元件的2腳連接第三二極管(D3)的正端，第三二極管(D3)的負(fù)端連接第二電容(C2)的正端，第二電容(C2)的負(fù)端連接壓電元件(PZT)的I腳，第三二極管(D3)的負(fù)端連接PNP型第六三極管(Q6)的發(fā)射極，第三二極管(D3)的正端連接PNP型第六三極管(Q6)的基極，PNP型第六三極管(Q6)的集電極輸出控制第四開關(guān)(S4)，NPN型第四三極管(Q4)構(gòu)成第四開關(guān)(S4)，第四三極管(Q4)的基極連接第六三極管(Q6)的集電極，第四三極管(Q4)的集電極連接壓電元件(PZT)的2腳，第四三極管(Q4)的發(fā)射極連接電感(L)的I腳。
[0012]有益效果
[0013]本實(shí)用新型公開了一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路，包括壓電元件、正負(fù)半周檢測互鎖控制電路、正負(fù)極值檢測電路、四個(gè)開關(guān)、電感、二極管、儲(chǔ)能電容、負(fù)載電阻。其中正負(fù)半周檢測互鎖控制電路控制兩個(gè)開關(guān)分別在負(fù)半周和正半周導(dǎo)通，正負(fù)極值檢測電路分別控制另外兩個(gè)開關(guān)在正負(fù)極值到達(dá)后導(dǎo)通，使電感與壓電元件內(nèi)部電容產(chǎn)生LC諧振，將壓電能量同步提取到電感，并通過二極管續(xù)流將能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容上。整體電路采用自供電設(shè)計(jì)，自動(dòng)檢測壓電元件的狀態(tài)并控制四個(gè)開關(guān)的通斷來提取能量，與現(xiàn)有的壓電能量提取電路相比，減小了電路體積，降低了自身功耗，提高了提取效率，且提取功率與負(fù)載大小無關(guān)，較寬的振動(dòng)頻帶范圍內(nèi)均可使用。
[0014]有益效果的主要體現(xiàn)方面:
[0015]1.所述正負(fù)半周檢測互鎖控制電路，該結(jié)構(gòu)保證了壓電元件兩端的壓差小于閾值電壓的時(shí)候，兩個(gè)互鎖的場效應(yīng)管都是斷開的，在兩個(gè)正負(fù)閾值電壓范圍內(nèi)防止了兩個(gè)開關(guān)頻繁開關(guān)的抖動(dòng)而消耗能量。而且采用場效應(yīng)管來實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換能有效的降低導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通電阻。有效的節(jié)約了本身電路的功耗，增加了提取效率。
[0016]2.所述正負(fù)極值檢測電路中，由于三極管的基極電流要遠(yuǎn)小于集電極的電流，所以極值檢測的電容放電速度要比壓電元件內(nèi)部電容慢，從而保證了提取電路中開關(guān)管的持續(xù)導(dǎo)通到，本電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保證了極值檢測電路電容所積累的電荷能量也從相同回路被提取到電感中，從而減少了電路自身功耗，提聞了能量的轉(zhuǎn)換效率。
[0017]3.本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)中取消了傳統(tǒng)SECE結(jié)構(gòu)中的整流橋結(jié)構(gòu)，采用四個(gè)開關(guān)管兩兩配合優(yōu)化控制精確度。檢測電路全部采用無源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了電路的系統(tǒng)功耗。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本實(shí)用新型無需采用OSECE采集電路中所需要一個(gè)三個(gè)線圈的耦合反激式變壓器，大大的降低了系統(tǒng)的體積，簡化了電路。
[0018]4.本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)在電感的電流達(dá)到最大值的時(shí)候斷開與前端壓電元件的連接，通過后端的二極管續(xù)流，由于電感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，無論后端的儲(chǔ)能電容的電壓是多少都可以啟動(dòng)對(duì)儲(chǔ)能電容充電，所以該電路的提取輸出功率和儲(chǔ)能電容的電壓及后端的負(fù)載電阻的大小無關(guān)。
[0019]5.由于可以設(shè)置諧振的頻率比外屆振動(dòng)的頻率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以本電路結(jié)構(gòu)可以在較寬的振動(dòng)頻帶范圍內(nèi)均可使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本實(shí)用新型的自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取方法原理圖；
[0021]圖2為本實(shí)用新型自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取的具體電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路，如圖1所示，包括壓電元件PZT、正負(fù)半周檢測互鎖控制電路、正極值檢測電路、負(fù)極值檢測電路、電感L、第一二極管D1、儲(chǔ)能電容Cr、負(fù)載電阻RL，第一、第二、第三、第四開關(guān)(S1、S2、S3、S4)，壓電元件PZT的I腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制電路的a端、正極值觸發(fā)檢測電路的正端、負(fù)極值觸發(fā)檢測電路的負(fù)端相連，壓電元件PZT的2腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制電路的b端、正極值觸發(fā)檢測電路的負(fù)端、負(fù)極值觸發(fā)檢測電路的正端相連，壓電元件PZT的I腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制的第一開關(guān)S1、正極值觸發(fā)檢測電路控制的第三開關(guān)S3相連，壓電元件PZT的2腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制的第二開關(guān)S2、負(fù)極值觸發(fā)檢測電路控制的第四開關(guān)S4相連。第一開關(guān)SI和第二開關(guān)S2的另一端互聯(lián)后與電感L的2腳相連，第三開關(guān)S3和第四開關(guān)S4的另一端互聯(lián)后與電感L的I腳相連，電感L的2腳與第一二極管Dl的正端相連，電感L的I腳與電路系統(tǒng)輸出地GND相連，第一二極管Dl的負(fù)端與儲(chǔ)能電容Cr正端相連，儲(chǔ)能電容Cr正端與系統(tǒng)負(fù)載RL相連并輸出直流電壓Vdc，儲(chǔ)能電容Cr與負(fù)載RL的負(fù)端均與電路輸出地GND相連。
[0023]在壓電元件PZT的I腳電壓大于2腳電壓的正半周期，第二開關(guān)S2導(dǎo)通，第三開關(guān)S3在壓電元件PZT的正極值到來后導(dǎo)通，電感L與壓電元件內(nèi)部電容Cp產(chǎn)生LC諧振，振蕩1/4個(gè)LC周期后，壓電元件內(nèi)部電容Cp電壓下降到零，電感L上的電流增加到最大值，第二開關(guān)S2和第三開關(guān)S3斷開，電感L通過二極管續(xù)流將能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容上。完成正半周期能量同步提取。
[0024]在壓電元件PZT的I腳電壓大于2腳電壓的負(fù)半周期，第一開關(guān)SI導(dǎo)通，第三開關(guān)S4在壓電元件PZT的正極值到來后導(dǎo)通，電感L與壓電元件內(nèi)部電容Cp產(chǎn)生LC諧振，振蕩1/4個(gè)LC周期后，壓電元件內(nèi)部電容Cp電壓下降到零，電感L上的電流增加到最大值，第一開關(guān)SI和第四開關(guān)S4斷開，電感L通過二極管續(xù)流將能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容上。完成負(fù)半周期能量同步提取。
[0025]如圖2所示，互鎖的兩個(gè)NMOS場效應(yīng)管第一場效應(yīng)管Ql與第二場效應(yīng)管Q2構(gòu)成正負(fù)半周檢測互鎖控制電路及第一開關(guān)S1、第二開關(guān)S2電路，第一場效應(yīng)管Ql和第二場效應(yīng)管Q2的源極相連并與電感的2腳相連，第一場效應(yīng)管Ql的柵極和第二場效應(yīng)管Q2的漏極相連，第二場效應(yīng)管Q2的柵極和第一場效應(yīng)管Ql的漏極相連。
[0026]在壓電元件PZT的I腳電壓大于2腳電壓且超過場效應(yīng)管的一個(gè)閾值電壓的正半周期，第二場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通第一場效應(yīng)管Ql截止，在壓電元件的2腳電壓大于I腳電壓且超過場效應(yīng)管的一個(gè)閾值電壓的負(fù)半周期，第一場效應(yīng)管Ql導(dǎo)通第二場效應(yīng)管Q2截止，實(shí)現(xiàn)正負(fù)半周檢測互鎖控制開關(guān)切換，在正半周電感L的2腳通過第二場效應(yīng)管Q2與壓電元件PZT的2腳連通，在負(fù)半周電感L的2腳通過第二場效應(yīng)管Q2與壓電元件PZT的I腳連通。
[0027]正負(fù)半周檢測互鎖控制電路中，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)保證了壓電元件兩端的壓差小于閾值電壓的時(shí)候，兩個(gè)互鎖的場效應(yīng)管都是斷開的，在兩個(gè)正負(fù)閾值電壓范圍內(nèi)防止了兩個(gè)開關(guān)頻繁開關(guān)的抖動(dòng)而消耗能量。而且采用場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換能有效的降低導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通電阻。有效的節(jié)約了本身電路的功耗，增加了提取效率。
[0028]正負(fù)極值檢測電路分別控制另外兩個(gè)開關(guān)在正負(fù)極值到達(dá)后導(dǎo)通，使電感L與壓電元件內(nèi)部電容Cp產(chǎn)生LC諧振，將壓電能量同步提取到電感L，并通過二極管續(xù)流將能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容上。
[0029]如圖2所示，正極值檢測電路由第二二極管D2、第一電容C1、PNP型第五三極管Q5構(gòu)成，壓電元件的I腳連接第二二極管D2的正端，第二二極管D2的負(fù)端連接第一電容Cl的正端，第一電容Cl的負(fù)端連接壓電元件PZT的2腳，第二二極管D2的負(fù)端連接PNP型第五三極管(Q5)的發(fā)射極，第二二極管D2的正端連接PNP型第五三極管Q5的基極，PNP型第五三極管Q5的集電極輸出控制第三開關(guān)S3，NPN型第三三極管Q3構(gòu)成第三開關(guān)S3，第三三極管Q3的基極連接第五三極管Q5的集電極，第三三極管Q3的集電極連接壓電元件PZT的I腳，第三三極管Q3的發(fā)射極連接電感L的I腳。
[0030]正極值檢測電路在壓電元件PZT電壓的達(dá)到正向最大電壓點(diǎn)后，第一電容Cl電壓不變，而壓電元件I腳電壓下降，下降到PNP型第五三極管Q5閾值電壓后第五三極管Q5導(dǎo)通，傳輸?shù)谝浑娙軨l的高電平控制第三三極管Q3導(dǎo)通,使電感L與壓電兀件內(nèi)部電容Cp產(chǎn)生LC諧振，將壓電能量同步提取到電感L，并通過第三三極管和第五三極管將第一電容Cl的電能也提取到電感L。并通過第一二極管Dl續(xù)流將能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容Cr上。
[0031]負(fù)極值檢測電路由第三二極管D3、第二電容C2、PNP型第六三極管Q6構(gòu)成，壓電元件的2腳連接第三二極管D3的正端，第三二極管D3的負(fù)端連接第二電容C2的正端，第二電容C2的負(fù)端連接壓電元件PZT的I腳，第三二極管D3的負(fù)端連接PNP型第六三極管Q6的發(fā)射極，第三二極管D3的正端連接PNP型第六三極管Q6的基極，PNP型第六三極管Q6的集電極輸出控制第四開關(guān)S4，NPN型第四三極管Q4構(gòu)成第四開關(guān)S4，第四三極管Q4的基極連接第六三極管Q6的集電極，第四三極管Q4的集電極連接壓電元件PZT的2腳，第四三極管Q4的發(fā)射極連接電感L的I腳。
[0032]負(fù)極值檢測電路在壓電元件PZT電壓的達(dá)到反向最大電壓點(diǎn)后，第二電容C2電壓不變，而壓電元件2腳電壓下降，下降到PNP型第六三極管Q6閾值電壓后第六三極管Q6導(dǎo)通，傳輸?shù)诙娙軨2的高電平控制第四三極管Q4導(dǎo)通，使電感L與壓電元件內(nèi)部電容Cp產(chǎn)生LC諧振，將壓電能量同步提取到電感L，并通過第四三極管Q4和第六三極管Q6將第二電容C2的電能也提取到電感L。并通過第一二極管Dl續(xù)流將能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容Cr上。
[0033]正負(fù)極值檢測電路中，由于三極管的基極電流要遠(yuǎn)小于集電極的電流，所以極值檢測的電容(C1、C2)放電速度要比壓電元件內(nèi)部電容慢，由于從而保證了提取電路中開關(guān)管的持續(xù)導(dǎo)通到，本電路的結(jié)構(gòu)保證了極值檢測電電容所積累的電荷能量也從相同回路被提取到電感中，從而減少了電路自身功耗，提聞了能量的轉(zhuǎn)換效率。
【權(quán)利要求】
1.一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路，包括壓電元件(PZT)、正負(fù)半周檢測互鎖控制電路、正極值檢測電路、負(fù)極值檢測電路、電感(L)、第一二極管(Dl)、儲(chǔ)能電容(Cr)、負(fù)載電阻(RL)，第一、第二、第三、第四開關(guān)(S1、S2、S3、S4)，其特征在于:壓電元件(PZT)的I腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制電路的a端、正極值觸發(fā)檢測電路正端、負(fù)極值觸發(fā)檢測電路的負(fù)端相連，壓電元件(PZT)的2腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制電路的b端、正極值觸發(fā)檢測電路負(fù)端、負(fù)極值觸發(fā)檢測電路的正端相連，壓電元件(PZT)的I腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制的第一開關(guān)(SI)、正極值觸發(fā)檢測電路控制的第三開關(guān)(S3)的一端相連，壓電元件(PZT)的2腳與正負(fù)半周自動(dòng)檢測互鎖控制的第二開關(guān)(S2)、負(fù)極值觸發(fā)檢測電路控制的第四開關(guān)(S4)的一端相連，第一開關(guān)(SI)和第二開關(guān)(S2)的另一端互聯(lián)后與電感(L)的2腳相連，第三開關(guān)(S3)和第四開關(guān)(S4)的另一端互聯(lián)后與電感(L)的I腳相連，電感(L)的2腳與第一二極管(Dl)的正端相連，電感(L)的I腳與電路系統(tǒng)輸出地(GND)相連，第一二極管(Dl)的負(fù)端與儲(chǔ)能電容(Cr)正端相連，儲(chǔ)能電容(Cr)正端與系統(tǒng)負(fù)載(RL)相連并輸出直流電壓(Vdc)，儲(chǔ)能電容(Cr)與負(fù)載(RL)的負(fù)端均與電路輸出地(GND)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路，其特征在于:互鎖的兩個(gè)NMOS場效應(yīng)管第一場效應(yīng)管(Ql)與第二場效應(yīng)管(Q2)構(gòu)成正負(fù)半周檢測互鎖控制電路及第一開關(guān)(SI)、第二開關(guān)(S2)電路，第一場效應(yīng)管(Ql)和第二場效應(yīng)管(Q2)的源極相連并與電感的2腳相連，第一場效應(yīng)管(Ql)的柵極和第二場效應(yīng)管(Q2)的漏極相連，第二場效應(yīng)管(Q2)的柵極和第一場效應(yīng)管(Ql)的漏極相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自供電的壓電振動(dòng)能量同步提取電路，其特征在于:正極值檢測電路由第二二極管(D2)、第一電容(C1)、PNP型第五三極管(Q5)構(gòu)成，壓電元件的I腳連接第二二極管(D2)的正端，第二二極管(D2)的負(fù)端連接第一電容(Cl)的正端，第一電容(Cl)的負(fù)端連接壓電元件(PZT)的2腳，第二二極管(D2)的負(fù)端連接PNP型第五三極管(Q5)的發(fā)射極，第二二極管(D2)的正端連接PNP型第五三極管(Q5)的基極，PNP型第五三極管(Q5)的集電極輸出控制第三開關(guān)(S3)，NPN型第三三極管(Q3)構(gòu)成第三開關(guān)(S3),第三三極管(Q3)的基極連接第五三極管(Q5)的集電極，第三三極管(Q3)的集電極連接壓電元件(PZT)的I腳，第三三極管(Q3)的發(fā)射極連接電感(L)的I腳；負(fù)極值檢測電路由第三二極管(D3 )、第二電容(C2)、PNP型第六三極管(Q6 )構(gòu)成，壓電元件的2腳連接第三二極管(D3)的正端，第三二極管(D3)的負(fù)端連接第二電容(C2)的正端，第二電容(C2)的負(fù)端連接壓電元件(PZT)的I腳，第三二極管(D3)的負(fù)端連接PNP型第六三極管(Q6)的發(fā)射極，第三二極管(D3)的正端連接PNP型第六三極管(Q6)的基極，PNP型第六三極管(Q6)的集電極輸出控制第四開關(guān)(S4)，NPN型第四三極管(Q4)構(gòu)成第四開關(guān)(S4)，第四三極管(Q4)的基極連接第六三極管(Q6)的集電極，第四三極管(Q4)的集電極連接壓電元件(PZT)的2腳，第四三極管(Q4)的發(fā)射極連接電感(L)的I腳。
【文檔編號(hào)】H02J15/00GK203933163SQ201420201613
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】施閣, 夏銀水, 葉益迭, 錢利波, 屈鳳霞 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)