[发明专利]一种基于偏置翻转整流的高效压电能量采集电路

说明书

一种基于偏置翻转整流的高效压电能量采集电路，属于电力电子技术领域。本发明采用第一比较器COM1和第二比较器COM2分别控制第一整流管和第二整流管的栅极，并采用时钟生成单元输出的时钟信号CLK控制第一互补开关管中第二PMOS管M3A和第二互补开关管中第三NMOS管M4A的栅极，采用时钟生成单元输出的反向时钟信号控制第一互补开关管中第二NMOS管M3B和第二互补开关管中第三PMOS管M4B的栅极，从而实现充电、输出、翻转三种状态的自适应转换，两个互补开关管和两个整流管能允许电流两个方向的流动，改善了压电电容充放电过程的电荷损失问题，从而提高偏置翻转过程中的电压翻转率；且本发明的电路可用于便携式、微型化、输出功率大、效率高的压电能量采集系统。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种采用互补开关管和续流二极管对有源整流进行改进，使得压电能量更高效得到采集的压电能量采集电路，并应用到后级电路，主要应用于便携式的无线充电领域。

背景技术

随着无线电通讯与微机电系统(MEMS)技术的不断发展，无线可携带微电子设备得到广泛的关注。其应用范围不断扩大，如野生动物跟踪、人体健康检测系统、野外行军检测装置等。随着微机电系统的不断微型化以及可携带性的要求，传统电池供电体积过大且寿命有限，已不足以支撑系统应用。

为了取代传统电池，从周围环境中收集能量供电被广泛应用，其中压电能量采集无需驱动电源，转换效率高，输出电压、能量密度高且易与MEMS技术集成，能更好地适应环境而备受关注。压电(piezoelectric，PE)装置呈电容性，通常等效为一个电流源与一个电容和电阻并联。电流源提供了正比于振动大小的交流电流。压电装置输出的能量不能直接用于负载电路，这就需要压电能量采集电路，一个整流器，高效地将压电装置输出的交流电流转换成可供后级电路使用的直流信号。这个电路的作用很关键，它直接决定了从压电装置中提取的能量多少。

现在广泛应用在压电能量采集系统的是无源全桥整流。但是，无源全桥整流主要的限制在于效率低。主要有两个原因，一是无源二极管的正向压降较大；二是压电装置大部分的有效电流没有在输入电压达到峰值时流至输出，在给压电电容充电以及放电的过程中有大量的电荷损失，从而限制了从压电装置中提取的最大能量。如图1，偏置翻转电路的提出，利用一个串联电感将压电电容的电压先汲取出来后还给电容，减少了电荷的损失。但偏置翻转过程中的能量损失限制了能量采集效率。

现在限制压电能量采集电路输出功率的主要问题是：在每半个周期整流器在将电荷通过整流管传输至恒定输出电压之前，压电输出电压会从Vrect(-Vrect)翻转至-Vrect(Vrect)。由于压电装置的信号频率与振动频率相同，通常为几十到几百赫兹，具有较低的谐振频率，因此压电等效阻抗中的容性项起主要作用。压电等效电路中存在电容，意味着当电压翻转通过该电容时，压电输入电流会损失大量的电荷。若在翻转点处形成一个RLC振荡回路，即可将电容中的电荷先储存在电感中，再由电感将电荷释放给电容。在理想情况下，电荷将无损失地回到电容中，且电压从Vrect(-Vrect)翻转至-Vrect(Vrect)。实际受振荡电路品质因素Q的限制，翻转后的电压值会略低于翻转前。在偏置翻转技术中，电感只在过零点时与压电装置并联连接。在每半个周期，当电感所有的能量都释放给电容后，必须立刻与压电装置断开连接。因此，电感连接和断开的时间非常重要，影响了整个传输过程的效率。为了精确控制开/关，需要一个复杂的电路来对开关进行外部控制，其中过零点的检测也增加了电路的复杂度。现有的解决方案是利用一个串联电感来翻转通过压电电容的电压，并采用比较器分别比较压电输出电压与能量采集电路输出电压和地电位来判断充电、输出、翻转过程，从而控制整流管栅信号以及开关管栅信号，实现三种状态的自适应转换，无需复杂的控制电路，但是其效率受翻转过程中的电压翻转率限制。

发明内容

本发明的目的，就是改进已有技术中限制提取效率的部分，得到一种更加高效的能量采集电路，从而使最大输出功率更加接近理想值。

本发明的技术方案：