本發(fā)明涉及一種能提升壓電動(dòng)能收集效能的功率調(diào)理電路。

背景技術(shù)：

環(huán)境能量收集技術(shù)將周圍環(huán)境中以不同物理形式存在的能量收獲、集中、并轉(zhuǎn)換為可利用的電能，為諸如可穿戴式健康檢測/監(jiān)測設(shè)備(消費(fèi)級(jí))和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(工業(yè)級(jí))等低功耗設(shè)備供電。作為一種常用的機(jī)電換能器，壓電材料具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、易于微型化以及輸出電壓大、有利于功率調(diào)理等優(yōu)點(diǎn)，適用于微尺寸、低功耗的機(jī)械動(dòng)能(例如人體運(yùn)動(dòng)或機(jī)械振動(dòng))收集應(yīng)用。以往研究表明，能量收集電路的改進(jìn)對(duì)壓電能量收集系統(tǒng)俘能性能的提升具有顯著作用。

壓電能量收集電路至今歷經(jīng)了三代的發(fā)展，從使用通用橋式整流器，又名標(biāo)準(zhǔn)俘能(SEH：standard energy harvesting)電路；到具有里程碑意義的同步開關(guān)電感俘能(SSHI：synchronized switch harvesting on inductor)電路；再到近年提出的單電壓源預(yù)偏置(俘能)(SSPB：single source pre-biasing)電路。后面兩代的電路針對(duì)壓電原件內(nèi)部電容特性，有針對(duì)性地在壓電元件形變極值處分別執(zhí)行一次和兩次的電壓快速翻轉(zhuǎn)。在相同振動(dòng)激勵(lì)下，同樣的壓電元件可通過使用這些電路將收集功率提升數(shù)倍之多。然而，第三代的電路必須使用一個(gè)手調(diào)直流電壓源作為兩次電壓翻轉(zhuǎn)的參考偏置電壓，這種設(shè)計(jì)不利于實(shí)際應(yīng)用。

本發(fā)明采用創(chuàng)新的電路設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)偏置電壓源的同時(shí)增加了電壓翻轉(zhuǎn)的次數(shù)，既提升能量收集效能，又使得電壓同步多次翻轉(zhuǎn)電路更具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)偏置電壓源的同時(shí)增加電壓翻轉(zhuǎn)的次數(shù)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種電壓同步多次翻轉(zhuǎn)壓電動(dòng)能收集電路，其特征包括串聯(lián)的電感L、負(fù)載R_L以及電壓翻轉(zhuǎn)支路，其中：

電壓翻轉(zhuǎn)支路內(nèi)部自動(dòng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生M個(gè)偏置電壓，包括M個(gè)電子開關(guān)及用于限定輸入電壓翻轉(zhuǎn)支路的電流流向的二極管，在輸入電壓翻轉(zhuǎn)支路的電流從正到負(fù)過零點(diǎn)時(shí)，及在輸入電壓翻轉(zhuǎn)支路的電流從負(fù)到正過零點(diǎn)時(shí)，M個(gè)電子開關(guān)依次在合適的時(shí)間點(diǎn)閉合一段特定的時(shí)間后打開，使得壓電換能器輸出電壓同步地相對(duì)于M個(gè)偏置電壓進(jìn)行多次翻轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，所述電壓翻轉(zhuǎn)支路同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量收集。

優(yōu)選地，還包括獨(dú)立于所述電壓翻轉(zhuǎn)支路的能量收集支路，能量收集支路專用于能量收集，此時(shí)，所述電壓翻轉(zhuǎn)支路專用于實(shí)現(xiàn)電壓翻轉(zhuǎn)功能。

優(yōu)選地，所述能量收集支路包括整流橋及連接在整流橋輸出端的輸出濾波電容C_r。

優(yōu)選地，所述電壓翻轉(zhuǎn)支路具有與壓電換能器的輸出正極電路相通的正極端及與壓電換能器的輸出負(fù)極電路相通的負(fù)極端，所述電壓翻轉(zhuǎn)支路還包括電子開關(guān)S₁、電子開關(guān)S₂、電子開關(guān)S₃、電子開關(guān)S₄、電子開關(guān)S₅、電子開關(guān)S₆、二極管D₁、二極管D₂、二極管D₃、二極管D₄、二極管D₅、二極管D₆、儲(chǔ)能電容C_b，其中：

電子開關(guān)S₁與二極管D₁并聯(lián)，電子開關(guān)S₂與二極管D₂串聯(lián)，電子開關(guān)S₃與二極管D₃串聯(lián)，電子開關(guān)S₄與二極管D₄并聯(lián)，電子開關(guān)S₅與二極管D₅串聯(lián)，電子開關(guān)S₆與二極管D₆串聯(lián)，二極管D₁的陽極、二極管D₂的陽極、二極管D₃的陰極連接正極端，二極管D₄的陽極、二極管D₅的陽極、二極管D₆的陰極連接負(fù)極端，二極管D₁的陰極、二極管D₄的陰極連接儲(chǔ)能電容C_b的一端，儲(chǔ)能電容C_b的另一端連接電子開關(guān)S₂、電子開關(guān)S₃、電子開關(guān)S₅、電子開關(guān)S₆。

本發(fā)明可視為第四代的壓電俘能電路，其設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè)：去掉第三代設(shè)計(jì)中(單電壓源預(yù)偏置能量收集電路)使用的手調(diào)電壓源，實(shí)現(xiàn)偏置電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)；進(jìn)一步提升電路的能量收集效能?；趯?duì)一次和兩次電壓翻轉(zhuǎn)方案的理論總結(jié)與推演，本發(fā)明提出了實(shí)現(xiàn)電壓同步多次翻轉(zhuǎn)的技術(shù)細(xì)則。在最大程度地平衡電路復(fù)雜度和能量收集效能兩者的前提下，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無需額外電壓源、自適應(yīng)電壓同步三次翻轉(zhuǎn)的壓電動(dòng)能收集電路。

附圖說明

圖1(a)為串聯(lián)型的電壓同步多次翻轉(zhuǎn)(以下簡稱為S-SMBF)壓電動(dòng)能收集電路模型；

圖1(b)為并聯(lián)型的電壓同步多次翻轉(zhuǎn)(以下簡稱為P-SMBF)壓電動(dòng)能收集電路模型；

圖2(a)為S-SMBF工作特性波形圖；

圖2(b)為S-SMBF電壓翻轉(zhuǎn)瞬時(shí)放大波形圖；

圖2(c)為P-SMBF工作特性波形圖；

圖2(d)為P-SMBF電壓翻轉(zhuǎn)瞬時(shí)放大波形圖；

圖3(a)為S-SMBF工作周期圖(壓電原件源兩端輸出的電壓-電荷曲線)；

圖3(b)為P-SMBF工作周期圖(壓電原件源兩端輸出的電壓-電荷曲線)；

圖4為實(shí)施例中公開的一種并聯(lián)型電壓同步三次翻轉(zhuǎn)(以下簡稱為P-S3BF)壓電動(dòng)能收集電路；

圖5(b)、(d)、(f)、(h)、(j)為P-S3BF電路各工作過程及電流方向；

圖5(a)、(c)、(e)、(g)、(i)分別為圖5(b)、(d)、(f)、(h)、(j)對(duì)應(yīng)的壓電輸出電壓、電流波形；

圖6(a)為P-S3BF的工作特性波形；

圖6(b)為同步電壓向上翻轉(zhuǎn)瞬時(shí)放大圖；

圖6(c)為同步電壓向下翻轉(zhuǎn)瞬時(shí)放大圖；

圖7為各類典型壓電俘能電路能量收集功率對(duì)比。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。

本發(fā)明所提出的電壓同步多次翻轉(zhuǎn)(以下簡稱為SMBF)壓電動(dòng)能收集電路模型，為未來的壓電振動(dòng)能量收集電路提供新的設(shè)計(jì)思路。SMBF模型通過多次的同步電壓翻轉(zhuǎn)提高了機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)降低了能量轉(zhuǎn)化過程中接口電路的能量損耗，從而在相同機(jī)械激勵(lì)下進(jìn)一步提高壓電能量收集能力和電路的輸出功率。

本發(fā)明的串聯(lián)型SMBF模型如圖1(a)所示，并聯(lián)型SMBF模型如圖1(b)所示。如圖2(a)至圖2(d)所示，在壓電換能器輸出電流為零的瞬間，圖1(a)及圖1(b)中的開關(guān)S₊₁，S₊₂，...，V_+M依次在合適的時(shí)間點(diǎn)閉合一段特定的時(shí)間后打開使得壓電換能器輸出電壓同步地相對(duì)于一系列偏置電壓(V_b，1，V_b，2，...，V_b，M)進(jìn)行多次翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，可以獲得更高的電壓幅值，從而進(jìn)一步提高壓電源端獲取的能量。

圖3(a)及圖3(b)為利用更加直觀易懂的電路工作周期圖(橫軸為流出壓電等效電流源的電荷，縱軸為其兩端的電壓)展示壓電能量收集系統(tǒng)中各部分能量的走向。被外圍黑線所包圍的圖形總面積為壓電換能器所獲取的總能量，不同灰度別為電壓翻轉(zhuǎn)、整流橋(二極管)和負(fù)載(俘能等效)所消耗的能量。分步多次的電壓翻轉(zhuǎn)使得每次電壓翻轉(zhuǎn)的能量耗散進(jìn)一步減少，總體上降低了轉(zhuǎn)換調(diào)理電路對(duì)所收集能量的熱耗散(中灰色部分面積)。此外，輸出電壓幅值的進(jìn)一步提高(所圍面積的縱向長度)也意味著圖3(a)及圖3(b)中圖形總面積的擴(kuò)大，最終負(fù)載部分(即淺灰色)面積增大，能量收集能力獲得進(jìn)一步提高。

根據(jù)本發(fā)明所提出的SMBF模型，圖4展示了其中一個(gè)應(yīng)用實(shí)例：P-S3BF。本發(fā)明的主要應(yīng)用于低功耗微型電子設(shè)備長時(shí)間無電池供電(如各類無線傳感器)。

P-S3BF包括一個(gè)整流橋(四個(gè)二極管D_b1，D_b2，D_b3和D_b4)，輸出整流電容C_r，電感L，六路限流二極管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆和電子開關(guān)S₁、S₂、S₃、S_S、S₅、S₆，以及提供偏置電壓的輔助儲(chǔ)能電容C_b。傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中電子開關(guān)的實(shí)現(xiàn)有二極管、雙極型三極管(BJT)、絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等。為了減少電路系統(tǒng)總體的功率損耗，并考慮到壓電換能器較高的輸出電壓，可選用低電壓驅(qū)動(dòng)型功率MOSFET實(shí)現(xiàn)各個(gè)開關(guān)功能，低功耗單片機(jī)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的實(shí)時(shí)控制，二極管整流橋亦可用肖特基實(shí)現(xiàn)更低壓降的被動(dòng)整流。在外部機(jī)械以恒定位振動(dòng)激勵(lì)的條件下，壓電換能器可等效為一個(gè)電流源i_eq與內(nèi)建電容C_p相并聯(lián)。電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出特征波形有正負(fù)兩個(gè)對(duì)稱周期，具體可劃分為總共十個(gè)工作階段。

正半周期的五個(gè)工作階段分述如下：

1.開路電壓OC階段(圖5(a)、(b))：該階段始于負(fù)半周期結(jié)束后。電壓翻轉(zhuǎn)支路(Bias-flip path)和能量收集支路(harvesting branch path)被阻塞。電流源i_eq向C_p正向充電，因此壓電換能器輸出電壓v_p(C_p兩端電壓)從電位-V₃上升至V₀。

2.恒定電壓CV階段(圖5(c)、(d))：該階段二極管整流橋?qū)?，i_eq流入能量收集支路。因?yàn)镃_r遠(yuǎn)大于C_p，v_p被鉗位至V₀。電流源i_eq在該階段的能量收入總和與負(fù)載R_L半個(gè)機(jī)械振動(dòng)周期內(nèi)耗散的能量相平衡。

3.第一次電壓翻轉(zhuǎn)BF1階段(圖5(e)、(f))：該階段始于i_eq從正到負(fù)過零點(diǎn)時(shí)。在該階段僅有開關(guān)S₁和S₆導(dǎo)通。此時(shí)電壓參考電平為V_b，C_p中的電荷流入到比其大得多的C_b中，直到v_p到達(dá)第一個(gè)極值V₁。電流的流向由二極管D₆所限定，因此，電流在該階段內(nèi)單向流動(dòng)直到該階段結(jié)束時(shí)趨于零。C_b在該階段吸收部分來自C_p的能量。

4.第二次電壓翻轉(zhuǎn)BF2階段(圖5(g)、(h))：該階段緊接著BF1階段。在該階段僅有開關(guān)S₄導(dǎo)通，電流方向由二極管D₁所限定，且與上一階段方向一致。C_p中的電荷流向零電位。v_p極性反轉(zhuǎn)，C_b無能量變化。

5.第三次電壓翻轉(zhuǎn)BF3階段(圖5(i)、(j))：該階段緊接著BF2階段。在該階段僅有開關(guān)S₂和S₄導(dǎo)通。電流的流向由二極管D₂所限定。此時(shí)電壓參考電平為-V_b，通過將一部分電荷從C_b注入到C_p中，可將v_p驅(qū)至一個(gè)更低的電壓值V₃。

經(jīng)過上述正半周期的五個(gè)工作階段，接下來的負(fù)半周期亦有類似的五個(gè)工作階段。值得注意的是，在BF1階段C_b從C_p所吸收的能量與在BF3階段C_b向C_p所注入的能量相等。而在BF2階段C_b無能量變化。因此在電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，C_b在每個(gè)周期的凈能量輸入為零，且能自適應(yīng)地根據(jù)外界機(jī)械激勵(lì)的情況，為三次電壓翻轉(zhuǎn)提供最佳的偏置電壓。

對(duì)基于上述設(shè)計(jì)原理的P-S3BF電路原型板穩(wěn)態(tài)工作特征波形的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)吻合，各工作階段的同步電壓翻轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求(如圖6(a)至圖6(c)所示)。圖7對(duì)比展示了不同壓電俘能電路，在實(shí)驗(yàn)測試中輸出功率(能量收集功率)隨輸出電壓變化的情況。本設(shè)計(jì)所提出的P-S3BF電路在綜合平衡電路復(fù)雜度與提升能量收集功率兩個(gè)方面下，將收集效能提升至P-SSHI電路的125％，標(biāo)準(zhǔn)橋式整流電路的387％，相對(duì)于現(xiàn)有的壓電俘能電路，有效地提升了收集效能，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)際意義。