[发明专利]宽频带压电发电用非线性接口电路及其直流电压控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及振动压电发电领域，特别提供一种宽频带压电发电用非线性接口电路及其直流电压控制方法。

背景技术

嵌入式无线传感技术由于具有很强的环境适应性，可工作在高速高温腐蚀环境、装备内部或偏远位置等，近些年来在工业监控、安全监控、智能交通、环保监测、医疗监护等领域得到了广泛应用。但目前无线传感器节点主要还是利用电池或外部电源方式进行供电，尽管在一定应用场合能满足需求，但仍存在诸多缺陷：外部电源布线困难、不易于集成化、安装困难；电池体积较大、使用寿命有限、替换困难、不易嵌入集成等。因此，如何为无线传感器节点持续供电是目前制约嵌入式传感发展和应用的首要技术瓶颈。随着无线传感器节点功耗越来越低，收集环境能量并转化为电能为其提供持久电能正成为一种重要技术途径，其中尤以振动压电发电受到关注最多，这是因为环境中振动普遍存在，且压电发电能量密度高、易于微小化集成。

压电发电输出的是大电压、高阻抗、小电流的交流电，不能直接为负载供电，必须进行交流电到直流电(AC-DC)转换。传统桥式整流电路虽然可以方便地实现AC-DC转换，但缺点是它要求负载阻抗与压电电源输出阻抗匹配，以保证负载上获取最大的能量。而压电发电的输出阻抗很高，难以实现阻抗匹配。针对该问题，近年来基于同步开关的非线性接口电路受到高度关注和广泛应用，其基本思想是当压电振子到达最大振幅位置时闭合开关，此时产生电荷累积最多，之后再通过电感与压电材料寄生电容形成LC振荡回路将累积电荷全部提取出来。非线性接口电路与传统桥式整流电路相比，大大提高了AC-DC的转换效率。

但是，上述非线性接口电路的AC-DC转换效率取决于整流电容电压与最优电压的接近程度。二者越接近则AC-DC转换效率越大。在一些应用场合，环境振动并不是单频的，而是分布在宽频带内，有的甚至是时变的。在这些环境下使用的非线性接口电路的整流电容电压，会随环境振动发生改变，有时会严重偏离该最优电压，造成非线性接口电路AC-DC转换效率大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽频带压电发电用非线性接口电路及其直流电压控制方法，本发明主要解决了现有非线性接口电路在宽频带环境中AC-DC转换效率低的技术问题。

本发明提供一种宽频带压电发电用非线性接口电路，包括：电子开关电路，外接宽频带压电发电结构的输出端，用于检测振动激励的最大幅值；桥式整流电路，用于将宽频带压电发电输出的交流电转化为直流电；电压控制电路，用于调整桥式整流电路中整流电容两端的电压范围为[V_TL,V_TH]，使为整流电容的最优电压；DC-DC转换电路，用于将桥式整流电路输出的直流电压转换为低直流电压；上述四个组成电路串联电连接。

进一步地，电压控制电路包括与桥式整流电路电连接的施密特触发器模块U₁和耦合于施密特触发器模块的稳压管D₁₁,D₁₂，施密特触发器模块U₁的正阈值为V_TH、反阈值电压为V_TL；稳压管D₁₁,D₁₂，输出端耦合于DC-DC转换电路，用于保证电压控制电路的输出电平不超出DC-DC转换电路允许的电平范围。

进一步地，施密特触发器模块U₁的输入端与桥式整流电路的输出端相连，施密特触发器模块U₁的输出端与稳压管D₁₁,D₁₂相连，同时施密特触发器模块U₁的输出端还与DC-DC转换电路的使能端相连。

进一步地，电子开关电路包括彼此通过电感线圈L串联的振动波峰检测器和振动波谷检测器，振动波峰检测器用于检测振动激励的波峰时刻，包括电容C₁、电阻R₁、二极管D₁,D₂,D₃和三极管T₁,T₂；振动波谷检测器用于检测振动激励的波谷时刻，电容C₂、电阻R₂、二极管D₄,D₅,D₆和三极管T₃,T₄。