[发明专利]一种自供电式非线性压电振动能量提取电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种提取振动能量的电路，尤其涉及一种利用压电材料对环境振动能量提取的自供电式电路。

 

背景技术

目前，无线系统和微功耗的电子设备已在日常生活中得到广泛运用，随着微功耗电子元器件的进一步发展，无线网络式传感系统也广泛应用于各种监测系统，例如对大型机械设备、高速交通工具、野外生态环境、道路、桥梁、水库等大型建筑物进行监测，提高设备运行可靠性，降低维护费用。然而，目前绝大多数无线传感器节点仍采用电池供电，由于电池工作寿命有限，导致无线传感节点不易于安装且需要定期更换电池，在很大程度上增加了设备运行维护费用，并且大量的使用电池，也给环境带来了很大污染。因此，开发一种新型供电电源成为解决这一问题的有效方案而被逐渐提上日程。另外，无线传感网络的低功耗化进一步驱动了对开发新的能源系统的研究，由于节点的功耗极低，外界坏境中存在多种类型的能量满足节点的能量消耗。

自然环境中存在着太阳能、温差能、振动能等多种形式的能量，然而太阳能和温差能的功能技术受到自然环境的制约而难以广泛应用，而从机械振动中获取能量被证明是切实可行的。目前将振动能转化成电能一般采用三种方法：电磁式、静电式和压电式。由于压电式能量回收系统的输出功率较大，体积小，易于器件的小型化和集成化，对电子器件不产生电磁干扰，因此国内外许多研究机构和学者们都对压电式能量回收系统展开了研究。

对于压电式能量回收系统的研究主要集中在三个方面：材料、结构和接口电路。压电材料主要有压电单晶、压电陶瓷、聚偏氟乙烯等。能量回收结构的设计包括单层、多层压电能量回收装置，压电叠堆等等。而接口电路方面，目前主要有多种典型应用接口电路：其中最简单经典的接口电路为一个二极管全波整流电桥和一个滤波电容组成，但是这种接口电路不仅回收功率低下，并且回收的功率受负载阻抗的影响非常大。为解决这一问提。许多开关类型的非线性能量提取电路被提了出来。主要有同步开关电感回收（SSHI）电路、同步电荷提取（SECE）电路、优化型同步电荷提取（OSECE）电路、双同步开关电感回收（DSSH）电路、增强型双同步开关电感回收（ESSH）电路等。这些开关类型的电路均是通过控制模拟开关的通断，在压电元件上电荷积累至极大值时，使能量采集电路导通，一次性将电荷全部提取至储能电路，大大提高了能量回收的效率。然而SSHI电路回收功率仍然受负载阻抗的影响较大，而SECE、OSECE、DSSH、ESSH电路很好地解决了这一问题，其回收功率与负载无关，能很好地满足能量回收实际应用的需要。但是SECE电路要求开关闭合时间在微秒级别并且要求非常精确，在实际应用中很难实现不依靠外界供电而独立工作，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，使SECE电路成为简单、高效、独立的能量收集系统。DSSH电路在很大程度上提高了电路回收功率，但是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距离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。

 

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种自供电式的压电振动能量提取电路。该电路能够高效回收环境振动能量，克服了以往能量收集电路输出功率随负载变化而变化的缺点。同时，该电路优化了以往电路的供电模式，使得该电路可以不依靠外界电源供电而独立工作，并且该电路最终输出功率和输出电压也得到进一步提高。可广泛用于无线传感器网络节点及其他微功耗电子器件的供电。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的自供电式非线性压电振动能量提取电路包括：

用于收集压电材料由于应变产生的电荷并将其转换为直流电输出给外界负载供电的非线性能量提取电路模块；

用于检测压电材料表面的电荷极值，并发出控制信号以控制非线性能量提取电路的通断的极值检测电路模块；

和向非线性能量收集电路模块和极值检测电路模块中低功耗电子器件供电的供电电路模块。