[发明专利]一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器

说明书

技术领域

本发明主要涉及机械能转换为电能输出的领域，特指一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器。

背景技术

图1表示的是采用电感同步开关能量采集技术的压电能量采集电路。该电路采用全桥结构，使用被动二极管和同步开关将压电输出端的交流电压转换成负载可用的直流电压，并且有效地翻转压电端电容电压，减少电荷浪费。

该电路因为采用被动二极管，迫使压电端的输出电压即整流器的输入必须高于两个被动二极管电压降之和，大约为1.4伏，使得该整流器不适用于小型压电能量采集。另外，该电路需要一个精确的同步开关时序控制电路，控制同步开关的导通和关闭，不精确的开关导通时刻和导通时长将严重影响整流器的提取效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器。解决方案为：两个有源二极管，其被连接以检测流经的电流的过零点，一旦电流过零点改变输出的一位开关状态信号，该信号作为有源二极管的输出被送到电压过零检测及数字电路控制模块的输入端；以及一个峰值检测及数字电路控制模块，其被连接以接收所述有源二极管的开关状态信号，并检测出现在压电端的电压过零点，输出优化脉宽的脉冲信号，该脉冲信号被送到开关的输入控制端；以及一个开关，其被连接到电压过零检测及数字电路控制模块的输出端以接收脉冲信号，完成导通/截止操作；以及一个电感，其与压电器件串联以在压电器件输出电流过零点时与压电端电容、开关一起形成一个谐振腔，该电感一端与压电设备一端相连，电感的另一端与所述的一个有源二极管的阳极、一个有源二极管的阴极和开关的一端相连，压电设备的另一端分别与开关的另一端并与两个堆叠电容的堆叠处相连，堆叠电容的底、顶端分别与一个有源二极管的阳极和一个有源二极管的阴极相连接到负载。

本发明提出的一种短路式电容分裂结构的压电能量采集整流器，其优点在于：

1.将电感同步开关采样技术融入无桥型电容分裂的整流器结构中，相对于全桥结构，减少了一个二极管的前向电压降。

2.使用有源二极管，进一步降低前向电压降，并且能够自动检测电感电流过零点。

3.能够最优化地翻转压电端的电容电压。

4.有一个简单的数字电路控制模块，其降低了使用电感同步开关采样技术所带来的额外的功耗，从而增加了负载端或者储能端的净能量。

附图说明

图1是典型的采用电感同步开关能量采集技术的压电能量采集电路；

图2是本发明公开的短路式电容分裂结构的压电能量采集电路示意图；

图3是本发明公开的具有自动翻转时间的短路式电容分裂结构的压电能量采集电路原理示意图；

图4是本发明公开的整流器关键结点的波形时序示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，压电传导器被等效为一个电路模型，该电路模型包括并联的一个电流源i_P、一个电阻R_P和一个电容C_P。假设电流源可以表示为

i_P＝I_P sin(2πf_Pt)(1)

其中幅度I_P与振动源的加速度大小相关，f_P对应振动源的振动频率。此外，因为电阻R_P的值很大在兆级别，所以在分析中可以忽略不计。假设负载电容C_L的值很大，使得V_RECT可以看成一个稳定的直流电压，同时电容C1与C2的值相等，选取的电容值以保持其两端的电压近似稳定。

图2所示为本发明整流器基本电路结构，相对于图1所示的全桥结构，该电路减少了一个二极管的前向电压降，有利于小型压电采集器的应用。