一種基于壓電效應的自供能能量回收接口電路及控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于壓電效應的自供能接口電路，該接口電路可以提取隨振源振動的壓電元件中的電能供負載使用，滿足了微電子設備和無線傳感網絡的供電需求。相比現有技術，首先，本發明的自供能接口電路具有能量回收功率與負載無關的特性；其次，本發明的自供能接口電路能自主實現電路通斷，不再像其他接口電路那樣需要外部開關控制信號。
【專利說明】
一種基于壓電效應的自供能能量回收接口電路及控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及基于壓電效應的振動能量回收技術，具體涉及一種新型自供能能量回 收接口電路，屬于節能技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著微機電系統和無線傳感網絡的迅速發展，對微電子設備和無線傳感器的供電 需求與日倶增，目前大多采用鋰電池供電。一方面大量更換電池成本高，另一方面廢棄電池 會造成環境污染，因此開展新的無線供能技術的研究已成為當務之急。
[0003] 基于壓電效應的振動能量回收系統是將自然界廣泛存在的機械振動能通過壓電 片轉換為電能，該能量回收系統具有輸出功率大、對電子器件不產生電磁干擾、體積小、易 于器件的小型化等優點。目前，基于壓電效應的能量回收系統的研究工作在國內外均處于 探索階段，高效實用的能量回收接口電路在目前的專利和文獻中也較少，常見的接口電路 有標準接口、SECE(同步電荷提取)接口、Parallel-SSHI(并聯同步開關電感)接口、Series-SSHI (串聯同步開關電感)接口。四種接口電路中，只有SECE接口電路具有回收功率與負載 無關的特性。為實現接口電路在每個機械振動周期內完成兩次能量回收，四種接口電路均 需要外接開關，通過控制開關的開啟與閉合實現能量的存儲、轉移和提取。因此，需要一種 新的技術方案以解決上述問題。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種自供能能量回收接 口電路：SP_SCE(Self-Powered Synchronous Electric Charge Extraction)接口電路。與 其他接口電路相比，本發明的自供能接口電路的能量回收功率與負載無關，并且本發明的 自供能接口電路能自主實現開關通斷，不再像其他接口電路那樣需要外部控制信號。
[0005] 為實現上述目的，本發明的基于壓電效應的自供能接口電路可采用如下技術方 案：
[0006] -種基于壓電效應的自供能接口電路，用于提取隨振源振動的壓電元件中的電能 供負載便用，其特征在于，該接口電路包括:壓電元件等效電路、連接壓電等效電路的第一 電子斷路器、連接第一電子斷路器的第二電子斷路器；
[0007] 所述壓電元件等效電路包括并聯的等效電流源ieq、壓電電容Cp和壓電電阻Rp;
[0008] 所述第一電子斷路器包括電阻辦、二極管〇:、電容C1、晶體管!^、二極管D 2、二極管D3 和晶體管T2;其中電阻Ri、二極管D1、電容C1串聯后與壓電元件等效電路并聯，晶體管!^的發 射極連接二極管〇:和電容C 1之間的結點；二極管D2連接晶體管T1的集電極與晶體管T2的基 級;二極管D 3連接晶體管T2的集電極；
[0009] 所述第二電子斷路器包括電阻R2、二極管D6、電容C2、晶體管T4、二極管D4、二極管D5 和晶體管T3;其中電阻R2、二極管D6、電容C2串聯后與壓電兀件等效電路并聯，晶體管T4的發 射極連接二極管D6和電容C2之間的結點；二極管D 4連接晶體管T3的基級與晶體管T4的集電 極;二極管D5連接晶體管T3的集電極;晶體管T3的發射極連接晶體管T2的發射極；
[0010]以及，還包括二極管D7、二極管D8電感L、濾波電容Cr和負載Rl ;二極管D7和二極管D8 串聯后與電子斷路器2并聯，并且二極管D7和二極管D8的方向相反；電感L、濾波電容C r和負 載Rl并聯后的一端連接于晶體管T3的發射極，另一端和二極管D7和二極管D 8之間的結點相 連接，二極管D連接于電感L和濾波電容Cr的右側結點之間
[0011] 同時，本發明還公開了上述基于壓電效應的自供能接口電路的控制方法。該控制 方法可采用如下技術方案：
[0012] 在每個機械振動周期內完成兩次能量回收，每次能量回收分為電路充電、能量轉 移和電荷中和三個階段，在機械振動位移的極小值變化到極大值半個機械振動周期中的三 個階段分別為：
[0013] (1)、電路充電階段：電路中所有的晶體管截止，僅電容心和電容C2這兩條線路導 通。隨著機械振動位移的變大，等效電流不斷對電容C p、電容C1和電容C2充電，壓電電壓 vP、電容C1和電容C2兩端電壓不斷上升；
[0014] (2)、能量轉移階段:在機械振動位移達到極大值時，壓電電壓vP達到最大值Vmm， 此時電容Ci上電壓為Vmax-Vdi，Vdi為二極管Di的壓降，隨著機械振動位移向極小值方向運動， 壓電電壓^隨之下降，當壓電電壓v P下降了VBE1+VD1，VBE1S晶體管1^的基極和發射極之間的 閾電壓，即v P = V1 = Vmax-Vbei-Vd1，此時晶體管T1導通，電容C1通過晶體管T 1、二極管D2、晶體管 T2、電感L和二極管D8開始放電，晶體管T2也導通，晶體管T 2導通后，壓電電容Cp通過二極管 D3、晶體管Τ2、電感L和二極管D8開始放電；電容C1和壓電電容C p上的能量轉移到電感L上，壓 電電壓VpWv1T降到零，隨后L上的能量通過續流二極管D轉移到濾波電容Cr和負載Rl上；
[0015] (3)、電荷中和階段：當壓電電壓vP下降到零時，晶體管!^截止，第一電子斷路器開 關斷開；電容C 2未完成放電，電容C2中的電荷流入壓電電容〇>和電容C1，直到壓電電容〇>、電 容&和電容C 2上電壓相同。
[0016] 本發明提出了一種基于壓電效應的自供能能量回收接口電路：SP-SCE(Self·-Powered Synchronous Electric Charge Extraction)接口電路。本發明的SP-SCE接口電 路相比現有接口電路具有以下有益效果：
[0017] 首先，本發明的自供能接口電路的能量回收功率與負載無關；
[0018] 其次，本發明的自供能接口電路能自主實現開關通斷，不再像其他接口電路那樣 需要外部控制信號。
[0019] 進一步的，所述濾波電容Cr與所接負載Rl的乘積為RLCr > 5T，其中T為振源的機械 振動周期。
[0020] 進一步的，如權利要求1所述基于壓電效應的自供能接口電路，其特征在于，所述 電感L、電容C1、電容C 2、電阻R1、電阻R2的值滿足以下條件：
[0021]
[0022] 其中，ω為振源的機械振動的角頻率，i = l，2,電容C1和電容C2取相同的值。
[0023] 進一步的，所述基于壓電效應的自供能接口電路中開路電壓Voc有如下限制：
[0024] V〇C>VcE(sat)+3VD+VBE
[0025] 其中，VCE(sat)為晶體管發射極-集電極飽和電壓降，Vd為二極管的壓降，Vbe為晶體 管的基極和發射極之間的閾電壓。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發明自供能能量回收接口電路的原理圖；
[0027] 圖2至圖4是本發明自供能能量回收接口電路半個周期內工作三階段;其中圖2為 第一階段，圖3為第二階段，圖4為第三階段；
[0028]圖5及圖6是本發明自供能能量回收接口電路的理論波形圖；其中圖5中u為機械振 動位移，vP為壓電片兩端的電壓，圖6中^為機械振動位移極大值處開關通斷過程壓電片兩 端電壓，ici、ic2分別反映電容Ci和電容C2的放電過程；
[0029]圖7是本發明自供能能量回收接口電路的仿真電路圖。
[0030]圖8是運用電子仿真軟件Multisim得到的本發明自供能能量回收接口電路回收功 率與負載Rl關系的仿真結果。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明：
[0032] 圖1顯示了本發明的SP-SCE接口電路（即自供能能量回收接口電路）的基本結構， 如圖所示，該接口電路包括:壓電元件等效電路、連接壓電等效電路的第一電子斷路器、連 接第一電子斷路器的第二電子斷路器;所述壓電元件等效電路包括并聯的等效電流源ieq、 壓電電容C p和壓電電阻RP;
[0033] 所述第一電子斷路器包括電阻辦、二極管0:、電容C1、晶體管!^、二極管D 2、二極管D3 和晶體管T2;其中電阻Ri、二極管Di、電容Ci串聯后與壓電兀件等效電路并聯，晶體管Ti的發 射極連接二極管Di和電容C 1之間的結點；二極管D2連接晶體管T1的集電極與晶體管T2的基 級;二極管D 3連接晶體管T2的集電極；
[0034] 所述第二電子斷路器包括電阻R2、二極管D6、電容C 2、晶體管T4、二極管D4、二極管D5 和晶體管T3;其中電阻R2、二極管D6、電容C2串聯后與壓電兀件等效電路并聯，晶體管T4的發 射極連接二極管D6和電容C2之間的結點；二極管D4連接晶體管T3的基級與晶體管T4的集電 極;二極管D5連接晶體管T3的集電極;晶體管T3的發射極連接晶體管T2的發射極；
[0035] 以及，還包括二極管D7、二極管D8、電感L、濾波電容Cr和負載Ru二極管D7和二極管 Ds串聯后與電子斷路器2并聯，并且二極管D7和二極管D8的方向相反；電感L、濾波電容C r和 負載Rl并聯后的一端連接于晶體管T3的發射極，另一端和二極管D7和二極管D 8之間的結點 相連接，二極管D連接于電感L和濾波電容Cr的右側結點之間。
[0036] 為了保證濾波后的電壓足夠平穩，所述濾波電容Cr與所接負載Rl的乘積應滿足 RLCr > 5T，其中T為振源的機械振動周期。
[0037] 為了保證電荷中和階段在能量轉移結束后發生并且此階段時間遠遠小于振動周 期的一半，所述電感L、電容C1和電容C 2、電阻R1和電阻R2的值滿足以下條件：
[0038]
[0039] 其中，ω為振源的機械振動的角頻率，i = l，2,電容C1和電容C2取相同的值且在電 路正常運作前提下取盡可能小的值。
[0040] SP-SCE接口電路在每個機械振動周期內完成兩次能量回收，每次能量回收分為電 路充電、能量轉移和電荷中和三個階段，電流流向分別如圖2至圖4中所示，下面分別闡述在 機械振動位移的極小值變化到極大值半個機械振動周期中的三個階段，并給出開路電壓、 三階段的中間電壓以及SP-SCE接口電路回收功率的理論推導。
[0041] (1)電路充電階段:該階段電路中電流流同如圖2所示。電路中所有的晶體管截止， 僅(^和(： 2這兩條線路導通。隨著機械振動位移的變大，等效電流ieq不斷對壓電電容〇>、電容 C1和電容C2充電，壓電電壓vP、電容C1和電容C 2兩端電壓不斷上升。
[0042] (2)能量轉移階段:該階段電路中電流流向如圖3所示。在T/2時刻，機械振動位移 達到極大值Um，壓電電壓v P達到最大值Vmax，此時電容&上電壓為Vmax_Vd1(Vd1為二極管0:的壓 降），隨著機械振動位移向極小值方向運動，壓電電壓^隨之下降，當壓電電壓v P下降了Vbe1+ Vdi(Vbei為晶體管Ti的基極和發射極之間的閾電壓），即Vp = Vi = Vmax-Vbei-Vdi，此時晶體管Ti 導通，電容C1通過晶體管T1、二極管D2、晶體管T2、電感L和二極管D 8開始放電（如圖6中icl波 形所示），晶體管T2也導通，此時相當于第一電子斷路器的開關閉合。晶體管!^導通后，壓電 電容C p通過二極管D3、晶體管T2、電感L和二極管D8開始放電。電容C 1和壓電電容Cp上的能量 迅速轉移到電感L上，壓電電壓Vp從Vi迅速下降到零（圖6中的t2時刻），隨后電感L上的能量 通過續流二極管D轉移到濾波電容C r和負載Rl上。
[0043] (3)電荷中和階段:該階段電路中電流流向如圖4所示。t2時刻后，晶體管!^截止，第 一電子斷路器開關斷開。電容C 2還沒完成放電，電容C2中的電荷流入壓電電容〇>和電容C1, 直到壓電電容C P、電容C1和電容C2上電壓相同。電容C2的放電可以由圖6中i C2的波形反映出 來，當iC2接近于零時（圖6中的t3時刻）電荷中和階段結束。這一電荷中和階段，在進入極小 值檢測的半個周期之前，將壓電電壓v P稍稍提高一點從零到V2(圖6中的t3時刻）。電容(：2的 實際放電是從時刻開始的，從圖6中i C2的波形可以看出來，但為了簡化分析把電荷中和階 段看成是獨立于其它兩個階段的獨立階段。
[0044] 1、開路電壓的計算：
[0045] 位移激勵：
[0046] u(t) =Um sin( ω t) (I)
[0047] 式中，Um為機械振動位移的幅值，ω為機械振動的角頻率。
[0048] 等效電流：
[0049] = (2)
[0050] 式中，α為壓電片的力因子，?(?)為機械振動位移的一階導數。
[00511電路開路時，壓電電容Cp、電容C1和電容C2并聯后與電阻R p并聯，等效阻抗：
[0055] 式中，Z為電路的等效阻抗，X。為電容的容抗，C = CfC^C2t3[0056] 等效阻抗模：
[0052]
[0053]
[0054]
[0057]
[0058] 位移激勵u⑴為正弦形式，開路電壓Vp,QC(t)也為同頻率的正弦形式，即Vp, QC(t) = Voc sin( ω t)，此式中Vqc為開路電壓Vp.cx^t)的幅值，Vqc可由下式得到：
[0059]
[0060] 式中，Im為等效電流的幅值。
[0061] 此外，為了有效驅動開關，對Vqc的大小是有限制的，該限制由電路中二極管、三極 管的電壓降設定。為了更好地說明這一限制，假定在電路連接之前沒有轉換行為。一旦連 接，電壓轉換是在壓電電壓v P達到開路電壓最大值Voc時開始的，隨后壓電電壓^下降到Voc-Vd~Vbe。此時，當電容Ci兩端電壓Vci比由晶體管Ti( ec)、二極管D2、晶體管T2(be)、二極管Ds串耳關 產生的電壓降大時，晶體管Tr#導通；當壓電電壓V p比由二極管D3、晶體管T2^c〇、二極管D8串 聯產生的電壓降大時，晶體管!^也會導通。這樣對V qc產生如下限制：
[0062] V〇c>VcE(sat)+3VD+VBE (7)
[0063] 式中，VcE(sat)為晶體管發射極-集電極飽和電壓降，Vd為二極管的壓降，Vbe為晶體 管的基極和發射極之間的閾電壓。
[0064] 2、三階段中間電壓的計算：
[0065] 該自供能SP-SCE接口電路，在機械振動位移的極小值變化到極大值半個機械振動 周期中的三個階段分別為電路充電階段、能量轉移階段和電荷中和階段。
[0066] 當振動位移達到最大值處時，能量轉移階段開始，壓電電容Cp、電容C1上能量迅速 轉移到電感L上，在四分之一個振蕩周期后，壓電電容C p、電容&上能量完全轉移到電感L上， 能量轉移階段結束，壓電電壓VpWv1下降到零。
[0067] 假設電容(：2的放電是在能量轉移完成后開始的，這樣電荷中和階段可以看成是一 個獨立階段。在電荷中和階段，壓電電容C p、電容C1、電容C2的總電荷是不變的。VdPV2具有如 下關系：
[0068] CV2 = C2Vi (8)
[0069] 在電荷中和階段后，新一輪充電開始。又會持續半個振動周期，直到壓電電壓％達 到-V1,-V1為在最小值處進行能量轉移的啟始電壓。與這一階段相對應的電壓關系可以由如 下關系式得到：
[0070] -Vx=V1+Ul(iaiii)-V-^)dt (9) C 4T Rp
[0071] 由于能量轉移階段和電荷中和階段的持續時間與半個振動周期相比是非常短的， 可以通過將開路電壓在能量轉移時刻分開并將相鄰部分平移一段距離，這樣可以 近似得到壓電電壓 Vp波形。近似壓電電壓％(0的表達式如下：
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078] 3、SP_SCE接口電路回收功率理論推導：
[0079] SP-SCE能量回收過程發生在能量轉移階段。在能量轉移階段，壓電電容Cp、電容C1 上電荷轉移到電感L上。在半個振動周期里，回收的能量為：
[0080；
(.14). 123
[0081 ]該接口電路在每個機械振動周期內進行兩次能量回收，SP-SCE接口電路的能量回 收功率為：
2 3
[0085]從式（16)中可以看出SP-SCE自供能接口電路的能量回收功率與負載Rl無關，也即 SP-SCE自供能接口電路的能量回收功率不隨負載變化而變化。
[0086]圖7是SP-SCE接口電路在Multisim中的仿真電路圖。仿真的條件為:壓電片用一個 正弦電流源并聯壓電電容Cp和壓電電阻Rp表示，該正弦電流源的頻率和機械振動頻率相同， 其幅值Im=2Jif QUm，其中f為機械振動頻率，α為壓電片的力因子，Um為機械振動位移幅值。在 仿真電路中，壓電片的壓電電容Cp = 30nF，壓電電阻Rp = 2Μ Ω，機械振動頻率f = 50Hz，電流 源幅值Im=O. 1mA。得到的SP-SCE接口電路回收功率關于負載Rl的仿真結果見圖8。
【主權項】
1. 一種基于壓電效應的自供能接口電路，用于提取隨振源振動的壓電元件中的電能供 負載使用，其特征在于，該接口電路包括:壓電元件等效電路、連接壓電等效電路的第一電 子斷路器、連接第一電子斷路器的第二電子斷路器； 所述壓電元件等效電路包括并聯的等效電流源ieq、壓電電容Cp和壓電電阻Rp; 所述第一電子斷路器包括電阻Ri、二極管化、電容Cl、晶體管Ti、二極管化、二極管化和晶 體管T2;其中電阻Ri、二極管化、電容Cl串聯后與壓電元件等效電路并聯，晶體管Tl的發射極 連接二極管化和電容Cl之間的結點；二極管化連接晶體管Tl的集電極與晶體管T2的基級；二 極管化連接晶體管T2的集電極； 所述第二電子斷路器包括電阻R2、二極管化、電容C2、晶體管T4、二極管〇4、二極管化和晶 體管T3;其中電阻R2、二極管化、電容C2串聯后與壓電元件等效電路并聯，晶體管T4的發射極 連接二極管化和電容C2之間的結點；二極管〇4連接晶體管T3的基級與晶體管T4的集電極;二 極管化連接晶體管T3的集電極;晶體管T3的發射極連接晶體管T2的發射極； W及，還包括二極管化、二極管〇8、電感L、濾波電容Cr和負載化;二極管化和二極管Ds串 聯后與電子斷路器2并聯，并且二極管化和二極管Ds的方向相反；電感U濾波電容Cr和負載 化并聯后的一端連接于晶體管T3的發射極，另一端和二極管化和二極管Ds之間的結點相連 接，二極管D連接于電感L和濾波電容Cr的右側結點之間。2. 如權利要求1所述基于壓電效應的自供能接口電路，其特征在于，所述濾波電容Cr與 所接負載化的乘積為化Cr>5T，其中T為振源的機械振動周期。3. 如權利要求1所述基于壓電效應的自供能接口電路，其特征在于，所述電感L、電容Cl、 電容C2、電阻化、電阻化的值滿足W下條件：其中，《為振源的機械振動的角頻率，i = 1，2，Cl和C2取相同的值。4. 如權利要求1所述基于壓電效應的自供能接口電路，其特征在于，所述基于壓電效應 的自供能接口電路中開路電壓Voc有如下限制： V〇C>VcE(sat)+3VD+VBE 其中，VcE(sat)為晶體管發射極-集電極飽和電壓降，Vd為二極管的壓降，Vbe為晶體管的基 極和發射極之間的闊電壓。5. 如權利要求1~4任一項所述基于壓電效應的自供能接口電路的控制方法，其特征在 于，在每個機械振動周期內完成兩次能量回收，每次能量回收分為電路充電、能量轉移和電 荷中和=個階段，在機械振動位移的極小值變化到極大值半個機械振動周期中的=個階段 分別為： (1) 、電路充電階段：電路中所有的晶體管截止，僅電容Cl和電容C2運兩條線路導通，隨 著機械振動位移的變大，等效電流ieq不斷對電容Cp、電容Cl和電容C2充電，壓電電壓Vp、電容 Cl和電容C2兩端電壓不斷上升； (2) 、能量轉移階段:在機械振動位移達到極大值時，壓電電壓Vp達到最大值Vmax,此時電 容Cl上電壓為Vmax-Vdi, Vd功二極管化的壓降，隨著機械振動位移向極小值方向運動，壓電電 壓Vp隨之下降，當壓電電壓Vp下降了 Vbei+Vdi，Vbe功晶體管Tl的基極和發射極之間的闊電壓， 即Vp = Vi = Vmax-Vbei-Vdi，此時晶體管Tl導通，電容Cl通過晶體管Tl、二極管、晶體管T2、電感 L和二極管化開始放電，晶體管T2也導通，晶體管T2導通后，壓電電容Cp通過二極管化、晶體管 T2、電感L和二極管化開始放電；電容Cl和壓電電容Cp上的能量轉移到電感L上，壓電電壓Vp從 Vi下降到零，隨后L上的能量通過續流二極管D轉移到濾波電容Cr和負載化上； (3)、電荷中和階段：當壓電電壓Vp下降到零時，晶體管T2截止，第一電子斷路器開關斷 開；電容C2未完成放電，電容C2中的電荷流入壓電電容Cp和電容Cl,直到壓電電容Cp、電容Cl 和電容C2上電壓相同。
【文檔編號】H02N2/18GK105915112SQ201610323800
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】王宏濤, 沈劍波, 衛海霞, 李宗軍
【申請人】南京航空航天大學